随着我国老龄化人数的增长与社会服务需求的增加,家庭服务类技术需求逐年递升。服务类机器人以其高度的智能化和仿生学设计使其在一定程度上可以帮助老人和残障人士完成一些日常生活动作。然而,现有的家庭服务用机器人多着眼于语音识别、人机对话等,辅助拾物功能较少,也多依赖于专业的通用型机械臂,给老年人和残障人士造成了认知负担。而且,其夹持末端主要为传统刚性夹持器,柔顺性、安全性和人机交互性较差。针对上述问题,本研究拟设计家庭服务用拾物辅助装置,包括辅助作业机械臂与柔性末端夹持器两部分,主要涉及机械臂总体方案布置和具体的结构化设计、机械臂运动学理论分析及仿真,柔性末端夹持器的研制和机械臂的整体性能实验等。(1)首先,根据家庭服务辅助拾物技术需求确定机械臂的自由度数和各关节的结构构型,完成传动系统方案布置。对辅助作业机械臂最大承力姿态进行静力学分析,初步计算各关节的弯矩和扭矩从而完成伺服电机和减速器等驱动装置的硬件选型。综合考虑尺寸、重量和体积等因素,对辅助作业机械臂的底部、大臂、小臂和腕关节进行具体建模,并对关键零部件进行应力分析。(2)对拾物辅助机械臂进行运动学分析,建立机械臂连杆坐标系,采用D-H法计算机械臂正/逆运动学方程,确定各关节极限角度,并利用微分变换法得到机械臂雅可比矩阵。根据灵巧度等度量指标,结合人机工程学理论进行机械臂杆长尺寸综合,得到较为合适的臂身尺寸。绘制机械臂三维操作空间,利用Matlab机器人工具箱采用五次多项式插值对机械臂末端轨迹进行仿真分析并得到各关节速度和加速度曲线。(3)研究设计了柔性末端夹持器整体结构,针对传统负压吸盘吸附夹持具有表面凸起物体时产生的漏气问题,结合阻塞变刚度原理设计了颗粒物塑形负压吸盘,包括柔性主体薄膜和开合式骨骼结构两部分。制作模具并选择合适软体材料进行柔性主体薄膜的浇注成型,考虑到软体材料的韧性不足,设计开合式骨骼结构内嵌于柔性薄膜内部提高整体刚性,减小吸附夹持重物时的形变量。搭建颗粒物塑形负压吸盘测试实验,验证其在不同真空度下对具有不同表面凸起物体的吸附夹持能力。(4)最后,根据拾物辅助机械臂工作环境和任务需求确定控制系统的整体方案,考虑到控制系统的简洁性,采用上下位机分级控制模式,并通过红外遥控的方式实现良好的人机交互。基于Keil5软件编写机械臂控制程序,利用STM32F103开发板,伺服电机驱动器等硬件搭建实验电路并进行整机调试,完成机械臂整机实验的验证工作。