自上个世纪五十年代第一台机器人出现以来,机器人技术就深受关注,而串联机器人相比并联机器人具有更大的可达空间和更优良的可控性,在工业生产中更是得到了广泛的应用。随着近二十年来计算机技术和传感器技术的飞速发展,机器人应用不再仅限于工业现场或实验室,逐渐进入深海作业、未知空间探索及家居服务等领域,而在这些新的应用领域中,需要机器人具备更好的适应性,能够针对复杂环境的各种约束作出快速、准确的响应,在复杂动态约束下的机器人控制也成为机器人技术面临的新挑战。本文以实验室和正特集团联合研制的ZT-010智能焊接机器人及实验室自主研制的七关节乒乓球机器人作为载体,通过理论研究和实验仿真验证相结合的方式,系统深入地研究了在多时变约束下的串联机械手的运动学控制、关节约束下的机械手二阶逆运动学控制等问题,力求寻找在复杂动态约束下的串联机械臂逆运动学控制算法,为机器人在复杂环境中的应用提供有效的理论支持和技术方案。主要研究内容如下：1)提出时变广义加权最小二乘算法求解多时变动态约束下的冗余机械臂运动学问题。传统的冗余机械臂控制方法无法对动态时变约束下的冗余机械臂进行运动学在线控制,针对此问题,本文在广义加权最小二乘方法的基础上,提出了时变广义加权最小二乘法,可以实现多时变约束下的逆运动学控制。该方法利用虚拟关节的概念,通过非齐次时变映射将时变约束映射为带有关节限位的虚拟关节约束,并通过对主任务的修正使虚拟关节空间到任务空间的映射为齐次映射,将原问题被转化为带有虚拟关节限位约束的机械臂逆运动学控制问题,该问题可以在虚拟关节空间通过加权最小二乘法进行求解。并在应用中取得了较好的效果。本文还对原广义加权最小二乘法的权值设定方法进行了改进,避免了原权值设定法则中采用一步预测方法带来的繁琐计算。该算法在焊接机械臂ZT-010上进行了应用,实现了时变焊枪姿态约束和关节限位约束下的焊接控制。2)提出了关节约束下非冗余机械臂的二阶逆运动学控制算法。虽然时变广义加权最小二乘法可以处理包含关节位置的时变约束,但是无法处理关节速度、关节加速度及关节力矩相关的约束。故本文提出非冗余机械臂的二阶逆运动算法,在该算法下关节限位约束被转化为具有时变阈值的关节速度约束,由于加权最小二乘法只能处理带有固定阈值的关节约束,故本文提出了修正关节空间概念,通过建立真实关节到修正关节的时变映射,将时变阈值的关节速度约束转化为固定阈值的修正关节速度约束,在修正关节空间通过加权最小二乘法,实现了对关节限位的避免。该控制律可以看作带有关节速度钳位项的加权最小二乘法,而关节速度钳位项可以加速关节速度远离速度阈值,通过适当地调整权重系数可以同时保证关节限位约束和关节速度约束。3)提出关节约束下的冗余机械臂二阶逆运动控制算法。在冗余机械臂的二阶逆运动控制中容易出现关节自运动造成的不稳定问题,这使带约束的非冗余机械臂的控制算法无法直接应用到冗余机械臂的二阶运动学控制中。本文提出了处理冗余机械臂二阶逆运动学问题的新思路：当机械臂末端运动时,保证齐次速度有界；而机械臂末端静止时,齐次关节速度收敛。并提出利用带有箝位项的加权最小二乘法求解带有关节速度约束的二阶逆运动学问题,该方法通过设置权值矩阵使关节速度不超过关节速度阈值。而速度箝位项有两方面的作用：当关节速度接近速度阈值时,加速推动关节速度远离速度阈值；而机械臂末端静止时,抑制自运动,该算法使机械臂对任务空间轨迹进行跟踪的过程中满足关节速度约束,同时保证系统稳定性。