轻型仿人机器手臂受限于物理器件水平、材料工艺、控制算法等因素,所以仿人机器手臂在机器人研究领域里具有一定的挑战性。其研制过程的主要困难点:需要综合利用机械设计、人工智能、机器学习、嵌入式硬件控制等各个方面知识来协同研发。本文致力于研究轻型仿人机器人手臂的设计与实现。首先,建立综合仿真实验平台ArmPlant 0.1,该平台基于ODE物理引擎计算。支持功能包括:外形设计、尺寸设计、质量分布、运动学及逆运动学计算、动作规划和编辑、仿真验证、样机控制、运动特性评价等。其次,完成8自由度(含末端夹持器1自由度)的全尺寸轻型仿人机器手臂的仿真设计,包括:手臂外形、尺寸、质量分布、关节分布,运动模型、关节角度控制、位置控制、人体运动再现、灵活性评价等。再次,完成系列手臂样机LWH-Arm 0.1~0.4的制造与集成,包括:物理材料和电子元件的选型、零件设计和加工、样机的组装、控制及通信程序设计等。为克服低扭矩舵机因负载过大形成的轴形变及摩擦力增加等问题,设计了一款舵机用径向零力矩延长轴,并应用于LWH-Arm 0.3~0.4版,有效解决了接触面摩擦导致运动受阻的问题。最后,设计一系列实验场景,对仿人机器人手臂LWH-Arm的运动灵活性、稳定性、负载力等方面进行综合测试,结果如下:(1)通过Kinect人体动作采集、仿真手臂和物理样机的同步控制、动作再现实验,验证了仿真实验平台及运动控制算法的有效性,仿人机器手臂的灵活性;(2)通过物体抓取和码垛实验,初步验证了仿人机器手臂动作的稳定性;(3)通过抓瓶倒水、手臂平举、上举等动作,证明样机末端负载力可达到0.3kg左右,具备一定的劳作能力。