现代工业制造领域中,生产效率的不断提高经常需要机械臂附带较重的负载,高速完成焊接、搬运、码垛、装配等生产任务,使现代机械臂设计呈现出高速、重载,高动态性能的特点;而随着人们资源、环境意识的增强,又期望机械臂具有相对较低的自重,消耗较少的能源。高速、重载和较轻自重的要求,使机械臂本体的柔性特征表现的越来越明显,从而不可避免的带来了振动加大、精度下降等问题;速度的增加,使机械臂关节间耦合特性表现的更加明显,传统的基于运动学的轨迹规划已逐渐不能满足使用需求,必须设计基于动力学的轨迹规划方法;大的加速度会对机械本体形成大的激励,从而导致振动进一步加大;这些问题已成为现代高速重载机械臂研究领域的热点和难点。本文结合国家“NC”科技重大专项和“863”计划项目,从提高机械臂动态性能的目的出发,针对新型高速重载机械臂设计中体现出的柔性特性,以及关节间强耦合带来的末端速度受限等问题,对机械臂柔体动力学建模、结构优化设计、高速运动下的轨迹规划,以及残余振动抑制等关键问题进行研究。　　针对高速重载机械臂柔性特征表现明显的问题,提出了一种同时考虑连杆柔性和关节柔性的机械臂优化设计方法。首先基于 Lagrangian方程建立了机械臂动力学模型,并采用 Timoshenko梁模型对柔性中空杆件进行了离散化,基于一阶固有频率最大准则和自重/负载比最小准则,对建立的柔性机械臂模型进行了优化。采用NSGA-II(Fast Elitist Nondominated Sorting Genetic Algorithms)算法对该多目标优化问题进行了求解,并对优化结果的有效性进行了仿真和实验验证。通过仿真对比分析了引入关节柔性和不考虑关节柔性对机械臂优化设计的影响,结果表明:对于高速重载机械臂,同时考虑关节柔性和连杆柔性的优化设计避免了优化结果出现局部最优的情况,保证了机械臂具有最优的整体性能。　　为提高机械臂关节建模精度,提出了一种同时考虑摩擦、迟滞和间隙特性的柔性关节建模方法。该方法将关节分为高速轴和低速轴两部分,基于 GMS(generalized Maxwell-slip)方法构建了减速器的摩擦模型,基于“多项式+微分方程”方法建立了迟滞模型,采用输入-输出轴速度差作为状态变量,建立了间隙模型。在上述模型建立的基础上,构建了同时考虑摩擦、迟滞和间隙特性的综合模型。同时,研究了关节模型中各部分参数的辨识方法,并对所建立的关节模型在Matlab/Simulink中进行了仿真,结果表明:该模型体现出实际关节的各种非线性特性,为基于模型的控制方法奠定了基础。　　针对高速重载机械臂中关节间耦合带来的基于运动学的轨迹规划方法规划的轨迹速度受限的问题,提出了一种基于动力学的在线近似时间最优平滑轨迹规划新方法。采用参数形式来表示机械臂运动轨迹,且将关节力矩和速度限制转换到该参数空间内构成伪速度限制曲线,伪速度曲线的构造采用在限制曲线上选取特征点并利用三次多项式拟合的方法,这样既避免了龙格现象又保证了关节加加速度的连续性。通过与传统基于运动学的机械臂轨迹规划方法比较,所提出的方法在满足力矩限制的条件下,充分利用了关节的最大速度,使得机械臂按照规划的轨迹运动的时间近似最优,提高了机械臂末端的运动速度,并且保证了轨迹规划的实时性。该方法在搭建的实验平台上进行了实验验证。　　为解决高速重载机械臂柔性加大带来的振动加剧问题,提出了一种时间最优输入整形振动抑制算法。首先,通过引入负脉冲整形器,将整形脉冲幅值作为优化参数,使整形器的设计具有全局最优性,在此基础上,采用 NSGA-II优化算法,以敏感性最小和整形器延时最短为优化目标,考虑残余振动幅值和高阶模态激励等约束条件,对整形器进行了优化。其次,采用神经网络对机械臂的振动模型进行模拟,提高了振动参数的估计精度,使估计的振动频率误差在1％±之内,估计的阻尼率误差在3%±之内,从而减小了整形器对参数鲁棒性的要求。最后,通过建立的 MATLAB-ADAMS联合仿真模型及搭建的实验平台验证了该算法的有效性。　　为验证论文所提出的建模、优化设计、轨迹规划及振动抑制算法的有效性,建立了3DOF高速重载机械臂实验样机,并在该样机上进行了精度测试、优化设计结果验证、关节模型参数辨识、轨迹规划、振动参数测试及振动抑制等实验,验证了该机械臂优化设计合理,所提出的轨迹规划及振动抑制算法切实有效。