计算机技术和智能控制技术的快速发展促使机器人更加智能。机器人是具备人或者生物相似智能能力的自动化机器,机械臂作为机器人中的重要部分,它的研究历史长且受到广泛应用。机械臂的运动控制方式分为点到点运动和给定轨迹运动,这两种控制方式都要求机械臂运动平稳。但是机械臂系统具有非线性和强耦合性,并且受到外界干扰、摩擦力等因素影响,这些导致机械臂在运动过程中无法精确跟踪期望轨迹。因此,机械臂轨迹跟踪成为众多学者的研究重点。运动学以及轨迹规划是轨迹跟踪的前提,因此开展了详细的理论分析与仿真验证。本文研究的主要内容包括:第一,为了分析机械臂在空间中的运动,首先,在刚体上建立坐标系,运用矩阵法分析刚体在空间中的位姿以及坐标系之间的变换关系。其次,运用D-H参数法在Fanuc机械臂上建立坐标系,分析机械臂关节之间的变换关系,建立了机械臂正运动学模型。在末端执行器位姿已知情况下,使用解析法求得八组机械臂关节角度,根据实际情况选择最佳关节角度值。再次,根据D-H参数表建立机器人模型,通过调用正逆运动学函数验证机器人模型的正确性。最后,对笛卡尔空间轨迹规划进行了研究,将直线轨迹规划应用在加工薄型柔性材料的路径中,通过观察机械臂的六个关节运动变化曲线,得出关节运动平稳,从而验证了规划的合理性。另外,使用拉格朗日方程建立了动力学模型,考虑到实际的机械臂系统中存在干扰,因此在动力学模型中引入干扰项,并对机械臂模型进行了合理的简化,为轨迹跟踪算法的研究奠定基础。第二,机械臂系统存在干扰影响,只进行轨迹规划是不能够对期望轨迹进行精确跟踪的,因此需要对机械臂系统进行高精度的控制。首先,本文设计非线性干扰观测器消除干扰的影响,对于干扰观测估计的误差通过设计滑模控制进行抑制。其次,对滑模控制的趋近律进行改进,证明改进趋近律在有限时间到达滑模面。通过与几种常见的趋近律进行比较,得出改进的趋近律比其他趋近律在趋近阶段有良好的趋近性能。并且考虑到滑模控制中的切换函数对抖振的影响,文中将饱和函数替换到控制律中有效削弱抖振影响。最后,通过仿真分析,与文献中控制策略相比,所提出的改进滑模控制策略具有稳定性高、轨迹跟踪误差小的优点。最后,分析了三种终端滑模控制的特点和存在的问题,提出了一种改进的终端滑模控制方案,然后,将所有的终端滑模控制策略与非线性干扰观测器结合,进行仿真分析,得出改进的终端滑模控制比全局快速终端滑模控制误差收敛速度快,避免了传统终端滑模控制的奇异性问题,与非奇异终端滑模控制相比,稳定性更高误差更小。