随着工业4.0和中国制造2025战略的实施,制造业向智能制造的转型对作为工业生产重要装备的机器人提出了新的要求。传统的工业机械臂具有自由度少、体积及重量大、内部线缆繁杂等缺点,使得机械臂的功能单一、维护性差、可靠性低、部署成本高,难以满足智能制造业发展的需要。此外,多轴冗余机械臂末端在笛卡尔空间执行封闭路径任务操作时,基于传统的方法很难解决其关节空间的封闭性,这给轻型灵巧冗余机械臂的应用带来了限制。基于此,本文研制了轻型灵巧机械臂系统,并提出解决可重复运动轨迹规划的方法。基于典型工业场景的分析,确定了机械臂的功能和技术指标,设计了一种具有大载荷比和高功能密度比的轻型灵巧机械臂。为减小机械臂的外形尺寸,采用无偏置的“球肩-肘-球腕”的“S-R-S”关节配置方案,根据指标要求进行了关节负载力矩的计算和关键零部件的选型。进一步地,推导了其运动学方程并采用蒙特卡洛法分析了工作空间。机械臂的机械部分主要包括模块化关节、L型转接件以及基座。在完成相关设计后,对主要部件进行了校核,包括L型转接件和关节外壳的强度校核以及交叉滚子轴承的使用寿命计算。根据所设计机械臂的结构特点,推导了以腕部中心为参考点的简化微分运动学方程,提出了基于分块Jacobian的冗余机械臂可重复运动规划方法,实现了当机械臂末端运动轨迹封闭时各关节轨迹也封闭的目标,满足机器人需重复执行封闭轨迹的作业任务要求。进一步地,设计了以工业PC为上位机、各关节伺服控制器为下位机、CANopen作为通信桥梁的冗余机械臂控制框架,开发了机械臂轨迹规划及运动控制软件,实现了冗余机械臂多自由度协同控制。完成了轻型灵巧机械臂的样机集成并开发了测试及试验平台,开展了关节性能测试、整臂负载及末端精度测试、可重复运动规划实验等,结果表明所开发的机械臂具有较高的负载自重比、操作精度以及灵活性。