随着机器人技术的不断发展,球类捡拾机器人机动性强、环境适应度高,能够在训练场地完成球类物体的捡拾任务,替代传统的人工捡球作业。捡拾机械手作为其中的核心部件,是顺利完成捡拾任务的关键,然而,目前机械手在捡拾过程中仍存在着障碍环境的碰撞、运动轨迹不平滑和工作效率偏低等问题。本文以五自由度串联捡拾机械手作为研究对象,建立其运动学及动力学模型,重点针对障碍条件下捡拾机械手的避障路径规划、平滑运动轨迹规划和轨迹优化技术进行研究,具体如下:首先,以实验室自主研发的五自由度串联捡拾机械手为研究对象,采用DH法,构建正、逆运动学模型,针对三维障碍环境中机械手的碰撞问题,采用一种包络法和改进的人工势场法相结合的技术,规划捡拾机械手三维空间路径。采用AABB包围盒法,建立捡拾机械手各连杆与障碍物碰撞检测算法,同时在原有斥力势场函数的基础上增加了捡拾机械手末端与目标点之间的距离项,并将障碍物半径引入到斥力场函数,实现了捡拾机械手三维空间路径规划,解决了传统人工势场法目标不可达缺陷。仿真结果表明路径点能准确的绕开障碍物到达目标点和实现了避障的目标。然后,在SOLIDWORKS仿真平台中,建立各连杆的三维模型,并进行质心、质量、惯性张量等参数辨识,并采用拉格朗日功能平衡法,构建五自由度串联捡拾机械手的动力学模型。采用过路径点五次多项式插值法,对其进行轨迹规划,并将各关节最大速度、加速度和转矩设为限制条件,实现了捡拾机械手的轨迹规划任务。仿真结果表明规划出的捡拾机械手各关节角位移、角速度和角加速度平滑和实现了平滑运动的目标。最后,为提高捡拾机械手的作业效率,采用余弦式自适应遗传算法,分别在MATLAB和ADAMS仿真平台上,实现了五自由度串联捡拾机械手障碍条件下平滑运动的轨迹优化设计数值仿真和虚拟样机仿真过程。仿真结果可知,二者性能一致,提高了捡拾机械手百分之四十的运行效率,为复杂环境下机械手运动控制提供了参考依据。