随着机器人在服务、医疗等领域的拓展,交互式机器人成为机器人当前研究热点,因其与人共享工作空间,协同完成作业,因而需要轻量化设计以实现低惯量、低人机碰撞的冲击性等,从而提高人机协同过程中的安全性与良好控制性能。基于此,本文基于国家自然基金课题研发内容,以结构的轻量化设计为目标,采用多目标拓扑优化方法,设计并实现一人机交互型轻量化机器人,开展以下几个方面研究工作。首先,根据机器人的应用需求,对构型进行了分析和综合,并设计出相应机器人结构简图,在此基础上,应用机器人学相关理论,对机器人进行运动学分析;建立机器人的运动学模型,分析机器人正解,对机器人进行工作空间仿真,分析了机器人杆件对机器人工作空间的影响,从而确定机器人机构尺寸参数,初步设计机器人的三维结构。进而,基于拓扑优化方法,提出基于变密度法拓扑优化方法以及基于准则法的优化求解算法用于机器人轻量化设计,同时针对机器人的轻量化问题,以机器人质量与惯量最优为目标,提出了多目标拓扑优化方法,建立了相应的数学模型,并基于MATLAB进行编程,验证该方法的可行性与有效性。再在此基础上,针对本研究初步设计的机器人,运用基于质量和转动惯量为多目标的变密度拓扑优化方法,对相关核心零件进行优化设计,优化结果显示,对于机器人中优化潜力最大的关节连杆件,优化后质量下降50.83%,转动惯量下降39.72%。同时,为确保优化后进行后处理的零件满足使用要求,对优化后结果进行有限元分析和校核,结果表明,经过优化后的机器人零部件以及主要受力零部件能够满足使用要求,具有很好的轻量化性能。对其他机器人重要受力零件也进行拓扑优化以及后处理,并对最终结果检验,采用模块化设计方案,将优化后的零部件运用到机器人整体构型中,最终整体机器人由原设计的23.12Kg,降低为18.67Kg,机器人整体质量降低23.84%,将负载自重比由1:4.62提高到1:3.73,表明经过多目标拓扑优化的机器人轻量化程度得到了提高。最后,对所设计机器人进行了加工、制造、装配和实现,并实现机器人控制系统,搭建实验平台,通过在CPA及MDH方法对机器人进行误差标定,机器人的定位精度为1.42mm。进行机器人直线轨迹精度实验与曲线轨迹精度实验,对机器人相关功能和性能进行实验研究,结果显示,直线运动均方根误差为1.82mm;曲线运动均方根误差为2.12mm,能够满足设计需求。同时,基于人机协同的导纳控制实验表明,适合应用场合需要。