机械臂作为家庭服务机器人的执行机构,它对家庭服务机器人能否完成特定任务起着重要的作用,因此,对机械臂的研究也是家庭服务机器人技术发展的过程中的主要课题。而机械臂的控制理论、运动学和人机交互则是机械臂领域研究的重点和热点。　　本文以四自由度机械臂为研究平台,阐述了机械臂设计过程中的热点和难点问题,针对这些难点问题采用了PC+FPGA作为控制核心,同时应用反变换法和几何法来求取运动学逆解,设计了一台适合家庭服务机器人的机械臂系统,并对机械臂系统软硬件设计及仿真做了详细的说明。　　首先,本文在国内外相关机械臂的研究基础上,根据机械臂研究的关键技术和难点,同时结合家庭服务机器人的发展需求,对这些关键技术和难点问题展开讨论,并在第二章通过对机械臂应用D-H参数法建立运动学模型,分析机械臂的正解和逆解的求解方法,针对求取运动学逆解时存在的难点,提出了同时采用反变换法和几何法的逆解求解方法。　　其次,在机械臂硬件设计时采用功能强大、设计灵活方便的 FPGA作为运动控制核心,并对FPGA控制器的资源进行了详细的介绍,然后从机械结构设计、驱动系统设计、直流伺服电机驱动器和增量式光电编码器四方面对硬件设计做了说明。　　再次,分别从FPGA平台和PC机两方面对机械臂的软件设计进行介绍。其中PID算法是机械臂运动控制的主要算法,UART通信协议是FPGA和PC机进行数据传递的主要方式,编码器信号是机械臂的反馈信号,依次介绍了其在FPGA平台的实现方法。而PC机软件是机械臂和人之间交互的窗口,它是方便、灵活、人性化控制机械臂的重要手段。　　最后,借助MATLAB软件及Robotics Toolbox for MATLAB工具箱,对运动学正解、运动学逆解和轨迹规划做了仿真,这些仿真验证了四自由度机械臂设计的合理性。为机械臂的改进和完善提供了重要依据。