直角坐标型气动机械手虽不像关节型机械手那样能执行更为复杂的任务,但因其相对更简单的结构、更低廉的造价、更容易实现控制等优点,使它在工业生产中也占有相当大的比重。目前,直角坐标机械手多用于执行点位任务,也有少部分用于执行简单的连续轨迹任务。本文以现有实验设备为基础,结合气动位置伺服驱动方式的主要特点,以机械手作空间连续轨迹运动的工艺任务为前提。其目的在于研究系统特性优劣,并据此设计这类机械手的空间轨迹跟踪控制方法。本文首先介绍了气动机械手的发展历程,优缺点及国内外研究现状。介绍了直角坐标型气动机械手的结构组成,描述了该机械手各连杆之间的关系,并建立机械手的运动学模型。用基于该运动学模型的逆推关节位移的方法做轨迹规划,完成了机械手作空间直线运动的仿真分析,证明了ADAMS进行轨迹规划的合理性和有效性。其次,介绍了气动伺服系统的原理,建立了气动机械手三轴的线性化模型。得到了三轴各自的时频响应特性曲线,分析发现了本系统在实现快速轨迹跟踪控制中存在的不足即系统固有频率和阻尼比太低。并从理论上分析了系统参数在改善系统特性中所起的作用,得出了它们的相互变化关系。考虑到本文研究的机械手中存在的问题,在对比几种控制策略的前提下,分别采用常用的PID控制方法和基于高阶非线性系统的Terminal滑模控制方法来设计机械手的轨迹跟踪控制器。通过仿真研究发现,常规PID控制方法的跟踪能力差,跟踪范围小,不能具备作为控制方法使该机械手拥有良好跟踪效果的能力,而采用高阶非线性的Terminal滑模控制方法,可以使该机械手对空间直线轨迹的跟踪误差只在未达到收敛点的时间段内较大,在到达收敛点后能完全跟踪目标轨迹,跟踪能力大大提高。且能驱使系统从任意初始状态趋近于滑模面,还具有对外界干扰和系统不确定的鲁棒性,能满足机械手轨迹精确跟踪的要求。最后,考虑到伺服跟踪的要求,提出了PC+运动控制卡的控制器实现方式,分析了控制器的硬件系统组成和软件结构,为进一步实验研究打下基础。