机器人操作臂在工业领域有着广泛地应用。对机器人操作臂作业过程的深入研究,有助于提高机器人作业效率和改善机器人操作性能。复杂任务中的机器人操作臂作业过程受到多种因素的影响。本文着重考察机器人操作臂在作业拓扑顺序可变、机构运动副含间隙、非结构化未知环境等复杂任务中的作业过程优化问题,研究了机器人操作臂的运动规划、布局设计、动力学综合以及力反馈遥操作等方面的关键技术。机器人操作臂的位置反解是运动规划的基础。为了便于导出手腕偏置型串联机器人的关节变量之间的关系,提出了基于切断点自由度解耦的机器人操作臂位置反解技术。利用机器人几何结构特征,将机构运动链切断为两部分,使两个子运动链在切断点处运动自由度的某个分量上的耦合度最小。从而将含6个未知数的高维超越方程组转化为仅含1个未知数的非线性方程,通过一维迭代搜索进行机器人位置反解。机器人操作臂的一个复杂作业过程包含多种运动规划目标。为了便于作业过程优化,提出了基于作业过程分解的机器人操作臂运动规划技术。在自由运动阶段,采用准梯形波和准三角波运动模型,研究了基于作业时间最短的机器人自由运动轨迹规划技术。在约束运动阶段,将工件的设计特征映射为制造特征,研究了基于特征映射的机器人约束运动路径规划技术。复杂的机器人任务可以看作是这两种子过程的组合。机器人操作臂的布局设计是机器人工作站设计时首要考虑的问题之一。为了尽量减少布局设计中人机交互的迭代过程,并使机器人完成任务的工作周期时间最短,提出了基于作业拓扑与基座位置协同优化的机器人操作臂布局设计方法。将机器人操作臂的基座可行空间离散为若干空间网格。在各空间网格中,采用蚁群算法优化机器人作业拓扑顺序。在具有相同作业拓扑顺序的网格空间中,采用模式搜索算法寻找机器人基座的最优位置姿态。机器人操作臂的运动副使相邻构件产生相对运动,运动副元素之间必然留有间隙。为了使运动副元素之间不发生冲击碰撞,提出了基于轨迹规划的含间隙机器人操作臂的运动副元素避免分离技术。建立含间隙运动副的虚拟杆模型。采用多项式函数进行机器人轨迹规划,将含间隙运动副反力表达为机器人主动关节和虚拟杆运动参数的函数。把机器人每段运动轨迹的时间长度作为可调参数,建立运动副反力的动态响应谱。从动态响应谱中选择合理的运动轨迹时间长度,使机器人运动过程中含间隙运动副元素始终避免分离。机器人操作臂的力反馈遥操作广泛地应用于未知的或者非结构化的作业环境。为了便于操作人员远程作业,提出了基于增强遥操作便捷性的机器人操作臂的力反馈遥操作技术。在通常的位置控制模式和速率控制模式之外进一步提出了定点控制模式,研究了基于速率—位置—定点混合模式的力反馈遥操作控制技术。采用状态解析的方法识别操作人员的操作意图,研究了基于操作意图的力反馈遥操作中虚拟夹具在线生成技术。针对虚拟环境中的机器人遥操作,研究了基于主动引导的接触力觉连续生成方法。开发了机器人操作臂虚拟样机作业过程仿真软件系统。包括两个子系统,即机器人操作臂布局设计与操作仿真系统、集成虚拟环境的机器人操作臂遥操作系统。其中机器人操作臂布局设计与操作仿真子系统采用UG二次开发和WTK自主开发两条技术路线实现。