随着科学的发展和技术的进步,地面移动机器人已经能够代替人类执行越来越多的任务了。本文设计了一个地面移动机器人用的轻型机械臂。机械臂在结构设计上,采用了机电一体化设计思想,关节内部集成了多种传感器系统;并部分采用了模块化设计,基关节和肘关节采用完全相同的结构;由于机械臂自身重力的影响,肩关节采用与基关节相似的结构,但根据其负载力矩选择驱动电机和谐波减速器的型号。机械臂的关节构型为旋转—俯仰—俯仰—俯仰—侧摆。为了避免机械臂在工作过程中产生线缆缠绕现象,机械臂采用中心孔走线方式;机械臂各关节内部均安装有一个抱闸以防止机械臂在工作过程中发生突然断电导致损坏事故。关节力矩传感器是柔性关节机械臂的重要传感元件。关节力矩传感器不仅为机械臂柔顺控制的实现提供力感信息,而且可以用于柔性关节的位置控制。本系统的力矩传感器由4个应变梁、4个保护梁组成。通过仿真软件分析力矩传感器的受力变形情况,优化了应变梁的尺寸。在4个应变梁上安装有8个应变片,组成两个电桥电路。通过对两电桥的输出信号进行处理可以消除由波发生器旋转所产生的误差。本文建立了机械臂关节坐标系模型,推导出了机械臂运动学正解公式;并采用逆变换方法,求出了机械臂的运动学逆解公式,是关节的轨迹规划的基础。并根据关节的布置和运动范围确定了机械臂的工作空间。通过使用牛顿-欧拉法的迭代公式,建立了机械臂的动力学模型。采用全局优化方法,在无路程轨迹要求和有路程轨迹要求的情况下,对机械臂在运动过程中对基座的反作用力矩进行了优化仿真实验。