随着机器人技术的诞生和发展,机器人的应用已不再局限于工厂中的加工生产,而是向服务、医疗、家庭等领域逐步渗透拓展。而在这些场合,大多数需要机器人与人共享空间,协作机器人即应运而生。这些场合的应用,需要对其进行轻量化设计以实现降低人机冲突时的碰撞冲击性和提高作业稳定性,实现人机协作中的高安全性和良好控制能力。基于此,本文设计并实现了一轻量化协作机器人,且针对结构的轻量化需求,提出了一种基于联合有限元建模的结构拓扑优化方法,解决了机器人这类多连杆结构中的端面效应问题,并将其成功应用在该协作机器人轻量化设计中。本文主要完成了以下几个方面的研究工作。首先根据机器人的应用需求和设计目标,进行了机器人结构形式的分析与选用,并设计完成相应的机器人结构简图。基于结构简图和机器人学相关理论,建立了机器人的运动学模型并进行了正逆运动学、工作空间及奇异性分析。在完成分析的基础上,对机器人关节和杆件的进行设计得到了机器人的初始三维结构模型。其次,在对有限元理论和拓扑优化理论进行研究的基础上,选用了基于变密度法结合准则优化法的拓扑方法进行机器人结构的轻量化设计优化。另外,针对一般单独等效拓扑方法未能解决的连接件端面效应,提出了一种基于联合有限元分析的拓扑优化方法,并对其原理和实施方法进行了详细阐述。再次,针对设计的协作机器人初始结构,应用本文所提出的基于有限元分析联合结构拓扑优化的方法进行了结构轻量化优化。优化结果表明,机器人质量由最初的21.56kg降低为17.72kg,整体质量下降了 17.82%;末端形变位移由3.50mm,降低为2.57mm,整体形变减小了 26.57%;六阶固有频率由初始结构的68.65Hz提高到76.41Hz,提升了 11.30%。这些结果表明经过本文方法优化后的机器人结构轻量化程度得到显著提高,同时机器人结构的精度和稳定性均得到了提高。最后对优化后的机器人平台进行了实现,并进行了相关实验检测。测得本次设计协作机器人的位姿准确度在0.6mm左右,位姿重复性在0.02mm左右,力矩传感器精度在0.08N左右,均高于机器人性能试验办法中的要求,证明本文所设计的协作机器人具备良好的位姿准确度和重复性,具备满足较高精度人机协作作业的要求。同时还进行了机器人负载及末端形变检测实验,实验结果与有限元仿真结果基本符合,证明了仿真手段的可信度和可靠性。应用该协作机器人成功完成了前交叉韧带重建手术实验,验证了本设计协作机器人的医疗实用性。