机器人学是一门多领域交叉的学科，它以数学、机械、电子、控制理论、计算机等多种学科为基础。从工程实用的角度还要考虑其安全性、可靠性、通用性以及价格优势，如何设计出性能优异的机器人控制系统一直是设计人员考虑的核心问题。本文以航天科技集团第16所研究所研发的多用途六自由度垂直关节工业机器人(SC-8A)为研究对象，讨论了运动学建模、轨迹规划、控制器软硬件设计等问题。　　机器人的运动学模型是机器人学的基础理论，主要讨论正解和逆解，难点是逆解。其一在于解析逆解推导复杂，其二在于逆解的多解问题，所以针对特定型号机器人的运动学模型值得深入研究。为方便用户还需建立一套标准坐标系，它包括工具坐标系、工作台坐标系、用户坐标系等，本文讨论了它们之间的变换关系即广义运动学。　　在笛卡尔空间的轨迹规划问题是本文讨论的重点。通常轨迹规划的目的是在使机器人的工具坐标系沿着直线或圆弧轨迹运动的同时，让它的速度和加速度都能得到规划，最好使速度平滑、加速度连续。为达到这一目的，设计了由‘S’型速度曲线构造的时间归一化算子来规划速度。针对两段轨迹的衔接问题，木文认为用小圆弧衔接的方法存在不足，提出了用五次多项式拟合方法平稳衔接任意两段轨迹，并推导了五次多项式的表达式。仿真表明，该衔接方法能使过渡轨迹更加平稳。　　在解决笛卡尔空间的自由轨迹规划问题中，三次非均匀有理B样条(NURBS)插补算法是一种有效的方法，三次均匀B样条插补、三次均匀有理B样条插补都是该算法的特例。反算控制点是它的难点之一，本文补充了四种可选的边界条件作为求解控制点附加条件，并推导了反算控制点快速算法。难点之二是对速度的规划，本文用常用的“预估-校正”方法调整插补步长从而将速度规划为“梯形速度曲线”。针对NURBS轨迹与直线或圆弧轨迹平稳衔接问题，文中用直线或圆弧轨迹末端的速度向量作为“切矢条件”求解控制点，用NURBS轨迹实现平稳过渡。仿真表明，这种衔接方法很有效。　　机器人控制系统是复杂的多CPU的控制系统，DSP+FPGA是其常用架构。为增强实时计算能力，木文论述的方案使用了浮点DSP，分析了该方案中各硬件模块的电路原理图。给出了系统与电机驱动器间信号的隔离、放大以及差分驱动等电路的原理图，DSP和FPGA之间需高速通信，用FPGA的片内双口RAM作为两者的缓冲。控制系统的软件包括DSP和FPGA两个部分，分析了DSP的指令接收、运动指令解释、插补数据下传等软件流程。给出了FPGA的双口RAM模块、二次插补、绝对位置获取、增量码盘解码等电路的VHDL描述。