随着科技的发展和社会的进步,机械臂的应用越来越广泛,论文以直流伺服电机为驱动器的工业机械臂的控制系统为研究对象进行研究。实际应用中,不仅要对机械臂实施精确的控制,还要对运动轨迹进行规划。本文设计了基于模型预测控制的六自由度机械臂递阶结构控制策略,使机械臂快速准确地到达目标位置。因此,本文对机械臂控制策略的研究有着重要的理论意义。本文主要工作如下:首先,基于D-H表示法确定机械臂的连杆坐标系,构建机械臂末端相对于基座的变换矩阵,从而建立了六自由度机械臂的运动方程,并采用几何法求解机械臂逆运动学的解析解;基于拉格朗日方程,建立了六自由度刚性关节机械臂动力学模型,在此基础上,做出适当假设,建立了柔性关节机械臂的动力学模型,并在仿真中验证了模型的正确性。其次,以机械臂运动过程中的最优时间为优化指标,采用3-5-3次多项式插值法进行轨迹规划,利用遗传算法对每段插值时间进行优化,设计了时间最优轨迹规划算法,解决机械臂在关节空间点到点的轨迹规划问题。通过与粒子群算法进行对比,证明了本文采用的方法在时间最优的条件下具有平稳性。最后,借鉴工业递阶结构预测控制体系,设计了以模型预测控制为核心的六自由度机械臂递阶结构控制策略。该控制策略分为三层:第一,在轨迹规划层,采用基于遗传算法的时间最优轨迹规划算法获取目标轨迹;第二,在模型预测控制层,使关节轨迹逼近上层目标轨迹,并为底层控制器提供设定值;第三,在底层控制层,采用六个PD控制器按照设定值进行轨迹跟踪,实现最终控制。通过三层共同作用,实现轨迹规划与轨迹跟踪一体化,使机械臂快速准确地到达目标位置。仿真实验结果表明,与PD控制策略相比,本文设计的递阶结构控制策略具有更好的控制性能,降低末端轨迹跟踪误差。论文对六自由度机械臂的运动学、动力学、轨迹规划和控制策略进行研究,实现了时间最优的轨迹规划且降低了末端轨迹的跟踪误差,为实际生产过程中机械臂轨迹规划结果与控制结果不一致的问题提供了有效的解决方法。