工业机器人是支撑现代工业发展的重要工具,在自动化装配、自动焊接、物流搬运、医疗卫生等领域发挥着巨大的作用。如何提高机械臂的控制精度和借助机械臂解决工程实际问题一直是社会研究的热点。本文针对工业机器人中常见的一款六自由度机械臂,在结构分析、控制算法设计和开发应用等方面展开了一系列研究。首先针对UR10协作式机械臂,利用D-H法分析其运动学模型,并验证了模型的正确性;借助Robotics Toolbox工具箱,对其进行了蒙特卡洛分析。接着,针对两点间存在障碍物的工作环境,基于遗传算法设计了一种机械臂轨迹优化算法。该算法以运动时间最短和各关节转动角度最小为优化目标,借助MATLAB仿真验证了算法的有效性。在对UR10机械臂研究的基础上,为了更好地掌握机械臂设计及控制的关键技术,仿照UR10机械臂的运动关节,设计了一款单关节调试系统,搭建了测控系统平台,并设计了关节控制器,实现了机械臂关节精准的速度、位置、电流控制;利用拉格朗日法建立了UR10机械臂前两个关节的动力学模型,并设计了滑模控制器,提高了机械臂的轨迹跟踪性能。之后,针对颅骨穿刺手术的需求,在UR10机械臂第六轴上,设计了末端夹持机构,并搭建起测控系统,实现了医用钻头的转速和推进位置的实时控制。最后,将UR10机械臂应用到医疗领域,设计出了一款基于UR10的颅骨穿刺机器人平台,帮助医生开展颅骨穿刺手术。基于Qt+Slicer+VTK开发了一套颅骨穿刺集成控制系统,并按照颅骨穿刺的操作流程开展了颅骨穿刺实验,证明了设计的穿刺机器人平台的实用性。机械臂是一种强耦合、非线性的复杂系统,本文开展的一系列机械臂运动学、轨迹优化算法和运动控制方面的研究,希望能为国内机械臂的研究和推广应用提供一点帮助。