题目：可变刚度的模块化机械臂系统设计与实现

目前，机器人产业发展迅速， 需求量大，设计周期长。迫切需要开发出一套标准化的、集合常用机器人应用模块的软硬件平台，实现类似计算机发展的一套标准流程。这样有利于降低机器人应用的成本和研发风险。因此机器人模块化的研究成为了重点，特别是机器人模块化的设计。可以根据机器人常用功能，将其从机构和控制上进行分解，形成多个具有独立功能的功能模块，通过重构，组成应用所需机器人构型。

同样，随着机器人在工业、航天、医疗、服务等各个行业应用越来越广泛，与人交互的机会也越来越多，如何保障机器人在与环境或人类交互时的安全性，也成为国内外重点研究目标。传统机器人设计为了保证末端位置操作精确，多为刚性机器人，虽然可以通过反馈控制或者阻抗控制等方式进行主动安全保障，却过多的依赖故障率频发的控制系统，无法满足实际需求。而柔性机构单一的刚度，严重限制了其推广应用。为此，科学家提出了变刚度的设计，同时具有柔性机构的被动安全，又具有控制精度高、应用范围广的特性。能像生物肌肉一样缓冲碰撞，吸收、存储和在此利用能量。这样，能够在保证安全的基础上提高能量利用率和机器人工作效率。

为此，课题以模块化变刚度仿人机械臂为方向，设计了6自由度模块化仿人机械臂及可代替机械臂连杆的动态变刚度模块。将仿人机械臂按照功能需求分为连杆模块和关节模块，每种类型的模块又根据需求设计为不同尺寸和输出力矩的具体型号。同样，以机械臂模块设计为参照，设计了小型变刚度模块，能够代替机械臂设计中的J60，I60连杆模块。全文的主要工作和成果如下：

（1）深入研究国内外机器人模块化设计，通过不断改进，设计实现了6自由度模块化机械臂。每个关节模块或连杆模块都设计为外形相同，仅在尺寸、输出上有所区别的独立功能模块。可根据需要通过各个模块的组合，重新构型出所需机器人。

（2）基于机械臂的模块化设计，提出了机械臂模块化仿真系统的设计。在软件层次，通过对机械臂的各个模块自由组合，形成新的机械臂构型，利用软件进行运动学仿真验证。本仿真系统基于机器人操作系统ROS设计，作为实验室机器人软件仓库一功能模块，实现了机械臂实时在线示教功能。

（3）在大量研究国内外变刚度机构设计的基础上，大胆的提出了作为模块化连杆设计的，采用改变弹簧片有效作用长度的方式来实现机械臂动态刚度调整的模块。作为连杆的设计，很好的解决了现有变刚度驱动器体积大、设计复杂度高和刚度调整范围小的问题。采用调整弹簧片有效作用长度的方式，具有结构简单、刚度调整所需动力小、对弹性元件性能要求低的特点。

最后，通过对模块化机械臂和变刚度实物平台对机械臂软硬件系统和模块化变刚度设计进行了实验验证，验证了仿人机械臂的性能，证明了采用单一弹性元件的变刚度机构的可行性。对变刚度机构进行了总结，提出了新一代变刚度机构的设计。