机械臂是集机械、材料、控制技术于一体的机电一体化设备,已经被广泛应用在工业、航空、医疗服务等领域。但随着全球能源日益紧缺,传统机械臂由于质量大、能耗高使其发展受到制约。对机械臂进行轻量化设计提高能源利用率符合未来发展需求,其逐渐成为轻型机械臂领域的研究热点。相比于传统机械臂设计所用钢、铝合金(AA)等金属材料,碳纤维复合材料(CFRP)比刚度、比强度高、可设计性强,利用其设计机械臂能有效提高轻量化程度。考虑CFRP加工制造工艺不及常规材料成熟,本文设计CFRP与铝合金两种材料零件构成混合结构应用于轻型机械臂本体结构中;为了进一步提高负载/自重比,对机械臂中混合结构设计方法进行了探究。具体研究内容如下:首先,确定设计方案与流程。根据任务特点确定机械臂构型,再综合分析性能参数选择合适的轻量化材料。基于构型特点及静、动态性能确定连杆设计方案;参考铝合金机械臂改进其关节壳,且从关节紧凑性和任务特点出发设计了局部模块化关节。对于不同材料连杆、关节壳构成的混合结构,根据材料加工工艺和连接特点规划其连接方案。在此基础上完成混合结构机械臂轻量化设计流程。其次,建立优化模型并计算。选择混合结构相关参数作为优化变量;以其质量最轻为优化目标;采用静态性能、动态性能和连接性能作为设计约束从而构成优化模型。以四自由度机械臂为例在集成ABAQUS和modeFRONTIER的优化平台运用遗传算法求解最优值。再结合运动学和动力学求解关节力矩,通过开发USDFLD对上臂进行渐进失效分析,来校验设计结果的可行性。最后,制备样机并测试。基于优化所得参数制备混合结构机械臂样机。通过静态、动态测试结果证明机械臂具有良好的静态、动态特性。此外测量关节力矩且与铝合金样机数据比较,验证本文设计方法的有效性。再将实测关节温度与仿真值对比分析,验证本文用于热分析有限元模型的正确性。