目前,机械臂被广泛应用于工业、农业、军事、服务业等领域,为人们的生活带来了巨大的便利。然而,传统的机械臂表现为结构笨重、惯量大且能耗高,不符合当前节能、高效的发展趋势,不能满足人们对高品质的追求。因此,研究机械臂的轻量化设计方法具有重要的意义。本文在分析了国内外轻型机械臂优化设计方法研究现状的基础上,利用盘式无铁芯电机轴向尺寸短、功率密度高适用于作为机械臂动力源的特点来设计轻型机械臂。在机械臂的轻量化设计中,以机械臂的运动学、刚度与变形、动力学以及电机理论为基础,采用多级循环优化模式,建立多个优化平台来实现机械臂的轻量化。主要研究内容如下:1.根据机械臂的设计指标确定机械臂的设计方案。在设计指标的基础上,通过对比分析多种机械臂构型、结构部件设计方案、驱动部件传动方案,选择出了更符合本次轻量化设计目标的设计方案,并制定了机械臂的设计框架与轻量化设计方案。2.对在机械臂轻量化设计过程中用到的相关数学理论进行了分析,为轻量化设计奠定理论基础。其中主要分析了机械臂的运动学、刚度与变形、动力学及电机设计理论,并对盘式无铁芯电机的电磁场进行相关描述。3.为减小关节的轴向尺寸使其结构更加紧凑,设计出了盘式无铁芯电机内嵌于关节壳的三种模块化关节;以机械臂的结构及驱动系统为研究对象,确定了设计变量、约束条件、目标函数及多级循环优化流程;利用遗传算法、复合形法,并结合Solidworks软件、Ansys Workbench软件、Adams软件、Matlab软件、Maxwell软件搭建起多个优化平台。此外,对参考轻量化设计方法进行了介绍。4.以所确定的连杆结构与所设计出的三种模块化关节为基础,根据设计指标设计出了一台四自由度机械臂。以该机械臂为设计案例,在确定其初始参数之后,对各优化平台的输出结果和整个机械臂多级循环优化的迭代过程进行了分析。并将本文所用轻量化设计方法与另外两种参考轻量化设计方法得到的优化结果进行了对比分析,结果表明:利用本文轻量化设计方法所得机械臂质量更轻、负载自重比更高。