本文密切结合食品、医药、电子包装分拣等领域对工业机器人的需求,研究一种由天津大学自主研发设计的可以实现三平动、一转动的高速并联机械手(Cross-IV机械手)的尺度优化设计和控制方法;主要从以下三方面拓展研究:运动学与刚体动力学建模、尺度参数优化、运动控制方法;以运动学与刚体动力学模型为基础,研究C4机械手尺度参数优化和高速、高精度抓放控制方法,并在实验样机上进行控制策略的验证,全文取得的成果如下:首先,在运动学、刚体动力学建模方面,利用矢量法搭建C4机械手运动学模型,基于虚功原理法搭建C4机械手完备刚体动力学模型,提出一种按照重力项、惯性力项、惯性力矩项将从动臂质量按三种分配系数折算到主动臂和动平台两端的方法,研究机械手的尺度参数轨迹参数等5个影响因子对简化方法精度的影响,以机械手完备与简化模型的四条支链对应力矩差的绝对值对时间积分求均值作为优化的目标函数,对比采用组合分配系数法与采用其他方法进行刚体动力学建模的精确度,为后续机械手尺度综合和动力学前馈控制方法提供理论依据。其次,根据已建立的C4机械手的运动学、刚体动力学模型,以间接雅克比矩阵行列式为依据,首先分析了C4机械手的一般链内和链间压力角以及机构的奇异构型,研究分析发现C4机械手的一般链间压力角在描述机械手运动时具有局限性,并没有考虑到相邻支链与其余支链的运动/力传递特性,由此出发,考虑4种相邻支链的运动传递情况,构造了完整的C4机械手链间压力角指标集合,并结合物理意义描述机械手的奇异状态;接着构造了尺度优化的性能指标,基于提出的压力角指标及雅可比矩阵条件数的全域特性构造优化目标函数;最后结合尺度约束、压力角约束实现运动学多目标优化,基于两类动力学性能指标实现动力学优化,对一组参数下的机械手运动学、动力学性能指标与工作空间位置的敏感性进行分析,将运动学优化结果的动力学性能指标与动力学优化结果相比较,最终得到机械手最优的尺度参数,并对机械手实际作业提出合理化建议。最后,在C4机械手高速下的运动控制方面,首先进行机械手伺服控制系统建模,并基于遗传算法对PID参数进行整定,以简化刚体动力学模型为依据,借助Simulink搭建运动学闭环控制和力矩前馈控制模型,基于动态响应特性和关节角度精度进行仿真;接着基于纯软件控制的TwinCAT系统展开动力学控制对比实验,验证机械手在高速状态下,引入力矩前馈通道后系统的动态特性,对提高机械手关节跟踪精度和末端定位精度具有重要意义。