本课题针对旋转关节串联机器人的多轴运动控制技术展开研究，涉及机器人运动控制系统的设计及相关运动学和动力学控制理论研究。全文共分为七章，各章内容安排如下：　　 第1章，介绍了串联机器人多轴运动控制技术的研究背景，综述了国内外多轴运动控制系统的研究与应用现状，探讨了相关研究的关键技术，存在的问题及发展方向。阐明了本课题研究的意义、难点和主要研究内容．　　 第2章，从控制系统的“开放”思想入题，阐述了新一代的机器人多轴运动控制系统的开放性设计思路，全章内容的安排分为硬件系统设计和软件系统设计两大部分。在硬件系统设计中，首先对典型的控制架构进行了对比研究和总结，然后针对多电机交流伺服控制系统的实际应用需求，设计了以DSP和CPLD为核心且具有标准PCI总线接口的开放式MAMC多轴运动控制系统架构。硬件系统的模块化设计中详细介绍了各功能模块的实施路线，并对硬件电路PCB设计中的抗干扰和散热处理问题提出了有效的解决方案。软件系统设计中，采用人机交互层、控制策略层、硬件接口层和伺服控制层的分层模块式框架构成，详尽阐述了各子模块的功能设计和实施方案．以钱江I号六自由度串联机器人为对象的实况作业运动控制验证了软硬件系统方案设计和技术实施的有效性。　　 第3章，首先介绍了串联机器人运动学中的三维空间位姿描述、齐次坐标变换、连杆坐标系的建立及连杆D-H参数定义和齐次变换矩阵。然后以钱江I号六自由度串联机器人为例，建立了具有PUMA560典型架构的旋转关节串联机器人的连杆坐标系，并给出了运动学模型。重点研究了该类型串联机器人的实时逆运动学求解问题，对逆运动学求解过程中所涉及到的正交矩阵、向量内积和四象限反正切函数等相关数学性质的运用策略做了深入探讨，并以此为基础提出了一种基于向量内积的串联机器人逆运动学实时求解算法。最后，通过实例求解和对比试验，验证了算法的有效性和实时性。　　 第4章，重点研究串联机器人笛卡尔空间和关节空间轨迹规划方法。笛卡尔空间轨迹规划研究内容包括直线轨迹规划、圆弧轨迹规划和一般空间轨迹规划。针对一般空间轨迹的规划，采用三次样条曲线插值方法得到加速度连续的平滑轨迹．一利用S加减速规划方法获得“坐标-时间”插值样点，以确保机器人末端运动过程的流畅。另外，对如何回避笛卡尔空间轨迹规划中的奇异形位问题作了探讨，介绍了机器人姿态的四元数描述和规划方法。关节空间轨迹规划研究内容中，重点探讨了七次B样条曲线插值方法，使得机器人各关节角“位置-时间”曲线三阶连续可导，并可根据需要配置各关节的起止速度、加速度和加加速度值。最后，以钱江I号六自由度串联机器人为控制对象，进行了直线、圆弧和复杂轨迹的运动轨迹实况控制，对上述算法的综合应用作了实践和验证，　　 第5章，首先阐述了串联机器人动力学模型的建立方法，并对基于动力学模型的轨迹跟踪控制算法研究中所涉及的惯性矩阵、离心力和哥氏力矩阵及重力向量的特性进行了归纳梳理。然后针对传统全状态反馈轨迹跟踪控制中获取速度反馈时容易混入噪声信号等问题，提出一种利用线性一阶滤波函数产生“伪”速度误差信号以消除实际转速测量的方法，以实现整个系统的闭环控制仅需位置反馈。在此基础上，设计了针对精确动力学模型的位置输出反馈轨迹跟踪控制律，并对控制系统进行了严格详尽的稳定性分析。最后，通过数值仿真实例对初始轨迹跟踪误差为零和不为零的情况分别对算法进行了验证。结果表明，本文提出的位置输出反馈轨迹跟踪控制算法优于传统的全状态反馈控制算法。　　 第6章，针对机器人运动控制中关节驱动器输出扭矩存在饱和的问题，重点研究了力矩输入有界的串联机器人位置输出反馈轨迹跟踪控制方法。提出一类广义饱和函数且给出具体实例，并以此为基础设计了一种极具参考价值的输入有界的输出反馈轨迹跟踪广义控制律。有别于绝大多数同类算法，该广义控制律拥有双重增益矩阵：PD（比例和微分）增益矩阵和误差增益矩阵。控制律中引入模糊策略使得PD增益可在线自整定，较大幅度提高了系统的动态响应性能和抗干扰性能，并可通过适当调整误差增益矩阵进一步优化轨迹跟踪性能。特别地，我们还引入了非线性奇异摄动理论，对整个闭环控制系统作了详尽的稳定性分析，并以此为基础给出了PD增益自调整范围的约束条件，使得在PD增益自整定的过程中，始终能够确保系统的指数稳定性。最后，通过数值仿真实例对提出的算法进行了试验验证．结果表明，本文提出的扭矩输入有界的输出反馈轨迹跟踪控制算法具有更优的轨迹跟踪性能．　　 第7章，对本课题的研究工作做了总结，指出了研究工作中的创新点，并对后续的相关研究做了展望。