冗余机械臂的研究是机器人研究的前沿领域。当一个机械臂具有n个独立的关节,而任务空间的维数为m并且m<n时,则说明此机械臂是冗余的。目前研究较多的冗余机械臂为七轴机械臂,而七轴机械臂比六轴机械臂多出了一个自由度,因此可以利用多出的这个自由度来弥补六轴机械臂的不足。特别是在一些特定的场所如航空,深海,核电站等,当处于工作任务中的机械臂的某一个关节发生故障以后,很难在第一时间对机械臂进行维修。因此人们希望机械臂在一个关节发生故障以后,机械臂仍可以继续完成原来的操作任务。七轴机械臂单关节轴发生故障以后退化为六轴机械臂,仍可以继续完成原来的操作任务,从而实现七轴冗余机械臂的容错控制。七轴冗余机械臂容错控制首先要解决的是机械臂的运动学逆解,运动学逆解的求解与机械臂构型有关。目前研究较多的拟人机械臂为无关节偏置的机械臂,对存在关节偏置的机械臂研究很少。本论文针对自主研发的带关节偏置(主要是前三轴存在偏置)的拟人臂构型机械臂,以第一关节的角度作为冗余度参数,提出了一种代数法和几何法结合的解析解。给定末端位姿,通过改变第一个关节的角度值,就可以得到不同的解析解,实现机械臂的自运动。该方法实时性好、精度高适合于工程上实际使用。接着为了实现运动学的优化,本论文提出了包括容错空间,退化可操作度等一系列容错优化指标。并且分析了不同指标对机械臂操作性能的影响。考虑到机械臂单关节发生故障以后,其余的各个关节仍需具有较强的可操作性能,本论文采取退化操作度作为优化指标来实现运动学的优化。通过调整第一关节的角度,从而得到一组运动学逆解使退化可操作度最大化。最后在自主搭建的仿真平台对这种优化方法进行了验证。通过运动学的优化可以保证机械臂在单关节发生故障以后仍具有较强的操作性能。机械臂在单关节发生故障以后,本论文采用三维凸包算法分析出不同关节故障对机械臂操作空间的影响,以及机械臂发生故障以后目标任务是否仍处于机械臂的可操作空间内。若目标任务不处于机械臂的退化可操作空间内,则直接提示机械臂无法继续完成原来的操作任务,而不必继续求解。若目标任务仍处于机械臂的退化可操作空间内,则根据不同的关节角度故障,实现运动学重新规划。针对前四个关节故障,仍可以采用解析法求出退化机械臂的运动学逆解,而针对其他关节只能用数值法以雅克比迭代的形式进行求解,从而使机械臂继续完成原来的操作任务。为了验证容错控制方案的有效性和可行性,本论文分别在matlab上的仿真平台和基于EtherCAT总线的机器人运动控制物理实验平台进行了验证。仿真中基于七轴机械臂3D模型搭建了仿真平台,并在仿真平台上完成了直线运动、自运动。接着根据容错优化指标验证了运动学优化算法的有效性。最后在仿真平台实现了七轴冗余机械臂的容错控制。在物理实验平台上对仿真进行了实际验证,证明了七轴冗余机械臂容错控制的可行性。