近年来工业机器人作为智能制造、自动化生产等领域的“主力军”受到业界越来越多的关注,其生产效率对降低生产成本、提升产品竞争力起着至关重要的作用。如何控制工业机器人使其末端执行器以最短的时间沿着预定的笛卡尔空间路径以安全、稳定的状态完成运动任务是一个重要且棘手的问题,而时间最优轨迹规划就是解决这类问题的关键技术。因此本文以工业机器人中较为典型的多轴串联型机械臂为研究对象,考虑常用的物理约束,对时间最优轨迹规划算法进行了研究,主要包括:1)在考虑运动学、完整非线性动力学约束的前提下,提出了一个求解高效的时间最优轨迹规划算法;2)基于三阶约束,提出了一个对时间最优轨迹进行平滑处理的算法。两种算法相结合可以得到高速、安全、稳定的最优轨迹。具体研究内容如下:（1）提出了一个针对预定笛卡尔空间路径的时间最优轨迹规划算法。算法考虑了运动学约束和动力学约束,在路径参数离散化之后,基于可达性分析的思想求解出运动用时最短的轨迹的数值解。从数学角度证明了算法在考虑完整非线性动力学的基础上可以保证轨迹结果的时间最优性质,算法的时间复杂度可达到与路径离散规模呈线性的程度,求解效率高。数值仿真实验证实了算法的可行性和求解高效性。（2）针对时间最优轨迹中存在的关节角加速度、力矩突变的性质,提出了一个考虑三阶约束（如关节力矩变化率、关节加加速度等）的平滑时间最优轨迹规划算法。算法在时间最优轨迹已知的前提下选择平滑过渡区间集合,使用一种简化的凸优化手段对集合中各个区间上的速度曲线进行平滑处理,得到满足约束的平滑时间最优轨迹,提高了规划结果的实用性。算法的可行性通过数值仿真实验得到证实。（3）为了验证本文所提算法的有效性和实用性,以工业场景中常见的门字形笛卡尔路径为预定路径,将本文算法所得的时间最优轨迹和平滑时间最优轨迹以等时间间隔的轨迹点位数据形式分别下发给控制器,使六轴串联型机械臂完成运动任务。机械臂平台的反馈数据证实了轨迹对实体机器人可以实现预期的运动控制效果。