机械臂的柔顺性是实现人机协作和安全交互的关键问题,是目前机器人领域研究的热点之一。传统的工业机械臂在工作时,为了保证人的安全,需要将人排除在工作区域之外。为了实现人机协作,保证人机交互的安全性,需要实现机械臂的柔顺性。本文将开展七自由度仿人柔性臂的设计研究,在柔顺性设计上,采用串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,简称SEA)作为关节执行器。SEA在电机和负载间嵌入弹性元件,具有吸收外部冲击,以及实现关节力矩和位置混合控制等优点。另外,为了实时监测弹性元件的弹性系数变化,实现弹性系数的在线标定。本文还开展了弹性力矩传感器研究。这些研究对于先进智能柔性臂部件的更新,以及开展机械臂的柔性控制具有重要意义。本文主要开展七自由度仿人柔性臂结构设计和弹性力矩传感器设计研究,主要工作如下:1、七自由度仿人柔性臂的仿生设计与分析。针对七自由度仿人柔性臂,参考人体上肢运动机理,结合结构设计相关原则和方法,对照人体上肢相对比例,确定柔性臂的物理参数及相关设计要点。2、七自由度仿人柔性臂的结构设计与分析。通过Adams仿真获取各个关节的驱动力矩与角速度曲线,依此开展关键元件选型。依照实际设计需求,开展基于SEA的各个关节的设计。对各个关键零部件进行FEA有限元分析优化,在减轻零件重量的同时确保关键零部件安全可靠。3、弹性力矩传感器设计。针对SEA弹性系数变化问题,提出一种平面扭簧与力矩测量相结合的弹性力矩传感器。开展弹性力矩传感器的平面扭簧单元设计,并进行弹性系数标定。开展弹性力矩传感器的扭矩测量单元设计,并搭建测量电路模块。其中平面扭簧用于实现关节力矩控制,扭矩传感器用于监测弹性元件的弹性变化,通过在线标定弹性系数,既可以减少标定的工作量,又可以提高控制的精确性。