随着自动化水平的不断提高和作业任务需求不断复杂化,执行动作更加灵活的高自由度仿人臂的需求也不断增加,而轨迹规划作为机械臂作业任务过程中的重要内容,是保证机械臂平稳、高效率作业的基础,具有重要的现实意义和实用价值。本文以七自由度仿人机械臂为研究对象,在分析其运动学和动力学的基础上,对七自由度仿人臂进行多目标轨迹规划研究,主要内容如下:(1)针对仿人臂轨迹的多目标优化问题,为使求解的Pareto最优解集可以逼近真实解,对多目标优化问题的特点进行了分析。针对传统教与学优化算法存在的问题,引入二次教学策略和多样性学习策略,提出了改进的多目标教与学优化算法(IMTLBO),给出了算法的基本实现步骤和流程图,最后通过仿真实验对算法的性能进行了分析和验证。(2)建立七自由度仿人臂关节结构模型,对其进行正运动学分析,采用解析几何法对仿人臂各关节进行逆运动学求解,并通过雅克比矩阵求取各关节速度。针对七自由度仿人臂动力学建模的复杂性,本文提出基于牛顿-欧拉动力学方程,采用空间矢量理论进行仿人臂逆动力学推导的解决方法,该方法可有效减少动力学方程的计算量,易于编程实现,有助于仿人臂的轨迹规划过程。(3)以仿人臂乒乓球作业任务为例进行分析,为减少仿人臂在作业过程中的能量消耗,本文提出以动力学为基础的能量消耗数学模型,相比于从运动学角度分析的能耗模型,本模型可以更真实地反映仿人臂作业过程中的能量消耗。将仿人臂作业过程中的能耗和臂姿构型舒适度作为双重优化指标,同时考虑运动过程中存在的机构物理约束和空间障碍物约束,通过仿人臂作业轨迹参数化获得冗余变量,基于改进的多目标教与学优化算法,提出仿人臂对乒乓球作业的多目标轨迹规划方案。(4)以七自由度仿人臂乒乓球作业为例,对基于动力学的能耗模型和仿人臂多目标轨迹规划方案进行数值仿真和实验测试。结果表明基于动力学的能量消耗模型与基于运动学的能量消耗模型相比,更能体现仿人臂在作业过程中的能量消耗;仿人臂多目标轨迹规划实验表明本文的仿人臂多目标轨迹规划方案寻优结果可以较好地逼近真实Pareto前沿,在最优解集中折衷选取一非支配解用于仿人臂在线规划,结果验证了上述研究内容的有效性。