机器人技术是当今高技术研究的一个重要方向,受到各国政府的普遍重视。经过60多年的发展,如今机器人已经成为工厂自动化生产线、柔性制造系统中必不可少的单元。本文针对钢材表面的字符标记问题,设计制造了一台五自由度写字机器人,并以该机器人为研究对象,较深入研究了五自由度串联机器人机械结构、正逆运动学、工作空间、速度雅克比矩阵、动力学及轨迹规划问题。并对在空间平面、柱面以及球面的写字问题做了详细的理论分析。本文的研究内容分为七章,各章内容概括如下：第一章,分析了国内外工业机器人的发展现状及前景,介绍了机器人运动学、工作空间分析和轨迹规划的现状,最后简要阐述了本文的研究目的、内容及意义。第二章,对机器人结构做了详细的分析,并按照Pieper几何准则设计制造了一台五自由度机器人。在SolidWorks中建立了三维模型,并针对实验样机结构上存在的问题提出了合理的改进意见。第三章,采用D-H法建立了写字机器人连杆坐标系,推导了机器人的正运动学和逆运动计算公式。并用比较法选择合适的一组逆解,随后又求得了机器人速度雅克比矩阵。采用几何法和数值法求得其工作空间大小,并分析了连杆长度和大臂关节安装方式对工作空间大小的影响。利用拉格朗日方法建立了写字机器人的动力学方程,然后将写字机器人的连杆参数带入该方程,分析其重力矩、惯性矩、哥氏力和离心力项对关节力矩的影响。第四章,基于定时插补在笛卡尔坐标系下对机器人的直线、圆弧插补做了深入的研究,插补包含位置插补和姿态插补。并采用S型加减速方式进行轨迹规划来减少运动冲击。第五章,对机器人在空间平面、柱面以及球面的写字问题做了理论分析。将平面文字向空间平面、柱面以及球面进行投影变换,求得相应的笔尖位姿变换矩阵。平面文字在向空间斜面和柱面投影变换时不存在失真,而向球面投影时则存在失真。第六章,对开放式控制系统结构进行了论述,利用固高运动控制卡与PC机搭建了写字机器人控制系统。利用VB编写了部分运动控制程序及控制界面,实现了对机器人基本的运动控制。最后,阐述了建立字符单线字库的过程及写字过程,并进行了喷字实验。第七章,总结了本文取得的主要研究成果,并对后续研究内容做了展望。