如今,机器人已经广泛地应用于人们的生产生活中,从工厂流水线上工作的工业机器人,到下海探测的水下机器人,再到商场、博物馆中的服务机器人,它们都在改变着我们的生活。其中,服务机器人在迎宾讲解、助老助残等方面的广泛应用,更是极大地方便了我们的日常生活,拉近了人与机器人之间的距离。本文的主要研究目的是研制出一款应用于服务机器人的模块化轻型机械臂,并对机械臂模仿人体运动的实现方法进行研究,使其具有轻量灵活的机械结构和简单快速的运动规划方法,因此本文主要内容如下:首先,轻型机械臂结构设计。为了使机械臂具有灵活的结构形式,结合设计指标和机械臂的应用场合制定设计准则,分析人体上肢结构及其运动机理并结合全局相对可操作度指标确定机械臂最优构型,根据人体工程学确定机械臂连杆尺寸及各关节运动范围;进行模块化关节、关节连接件和外壳的结构设计,为实现轻量化的结构设计,基于结构拓扑优化理论,使用ANSYS Workbench软件对主要零件进行优化设计和结构校核。其次,机械臂运动学和动力学分析。为了实现运动控制与分析,利用改进的DH参数法对机械臂进行了正运动学求解,并对机械臂的工作空间进行分析,利用几何法和解析法的混合方法求解逆运动学,在MATLAB软件中进行运动学仿真;根据牛顿—欧拉迭代算法建立机械臂动力学模型,在MATLAB中编写求解程序,创建ADAMS虚拟样机进行机械臂运动学仿真。再次,机械臂仿人运动方法研究。研究了通过Kinect进行人体运动数据捕捉的实现方法,对人体运动数据前处理方法进行了分析,研究了关键姿势提取和人机模型间的运动映射,提出了一个仿人运动相似性的评价指标。最后,机械臂运动实验。基于ADAMS虚拟样机进行人体运动复现的仿真实验;对机械臂运动学参数进行标定,研究实际D-H参数下的机械臂误差模型及逆运动学的修正方法;编写了机械臂控制程序,在实物样机上实现仿人运动复现实验,并对整体研究成果进行验证与评价。