模块化驱动关节是高度集成多种传感器的机械臂关节,具备高精度、高自重负载比、高互换性、中空走线、布线方便等特点。2自由度模块化驱动关节具备2个独立的旋转运动和2个关节公用的一套壳体。这样可以减少机械臂连杆数量,也可与单自由度模块化驱动关节搭配或独自搭配成机械臂,且搭配方式更加灵活多样。本文旨在研制一台由三套不同型号的2自由度模块化关节组合而成的6自由度模块化机械臂,主要研究工作内容如下:总结了国内外轻型协作机械臂的发展现状。通过大量调研国内外机械臂性能及特点,结合了本文项目要求,提出了一种2自由度模块化驱动关节的设计理念与设计指标,并由这种2自由度模块关节搭建成一个6自由度机械臂;利用D-H法建立基于2自由度模块关节的6自由度机械臂的运动学模型,分析了机器人的微分运动,由此解出了机械臂的雅克比矩阵,由雅克比矩阵分析了机械臂的奇异性,并通过MATLAB机器人工具箱验证其运动学正解、反解的正确性,推导出机械臂的动力学方程,为后文的机械臂设计及性能校核提供了理论指导;完成3款不同型号的2自由度模块化驱动关节的机械详细设计、硬件设计、连杆设计,并对关键零部件进行了基于ANSYS Workbench的强度、刚度校核和对大部分机加工零件进行了基于ANSYS Workbench的拓扑优化、参数优化。同时,对定稿后的机械臂进行了基于运动学正解的机械臂工作空间验证、基于动力学的关节输出力矩验证、基于Adams的运动学、动力学验证,以及惯量匹配验证;最后,进行样机制造,设计了基于此机械臂的硬件系统。通过分布式控制系统,把驱动器集成在关节内部,在电气上提高了机械臂的模块性。通过自主研发的机械臂,进行单关节调试、性能测试,并对整臂进行标定,有效提高了机械臂的绝对定位精度。