本文针对管线阀门外部曲面复杂、喷涂空间狭小等实际需求,提出了斜交非球形手腕六转动关节串联喷涂机器人构型。建立了喷涂机器人正向运动学模型,获得了机器人手腕相对于参考坐标系的位姿参数,即求得了机器人正向运动学参数;鉴于斜交非球型手腕串联机器人运动学逆解不存在解析解,本文应用ADAMS软件进行运动学仿真,测得了给定的喷涂轨迹方程所对应的机器人关节转角变化规律,即求得机器人逆向运动学数值解。考虑到阀体结构复杂且内部空间狭小,本文进一步对喷涂机器人斜交非球形手腕进行了正、逆向运动学建模及参数求解。机器人工作空间的大小及形态是其运动学性能的重要指标。本文提出两种求解机器人工作空间的数值求解法:蒙特卡洛随机搜索法和基于Matlab/SimMechanics软件的集成仿真法。蒙特卡洛法求解工作空间的原理是:在机器人关节转角的合理取值范围内,按一定的搜索算法对关节角的瞬时值随机赋值,通过正向运动学模型求出机器人末端点位置,最终大量的离散末端点汇聚成工作空间点云。基于Matlab/SimMechanics软件的集成仿真法求解工作空间的原理是:利用SimMechanics库搭建出机器人机构模型,模型中的传感器可跟踪、获取机器人的执行模块(即手臂末端点)的瞬时位置,根据记录到的大量离散末端点的位置数据,绘制出机器人的工作空间。求解结果显示,上述两种方法求得的机器人工作空间形态、大小相似,相互验证了工作空间求解结果的合理性;通过进一步分析得出,SimMechanics仿真法在求解速度、图形清晰度上优于蒙特卡洛法,但对于多自由度、多冗余度及关节受限情况下很难求解解析解的机器人,蒙特卡洛法克服了机器人工作空间受自由度限制的缺陷,又比解析法简单,适合解决工程问题。本文提出了随机搜索关节瞬时转角值的位形采样方法,将串联机器人在工作空间内的连续位姿变换为一系列离散位姿;提出了Jacobian/Hessian矩阵条件数的倒数在整个工作空间内平均值的近似计算方法,借助大样本的位形采样点,充分逼近性能指标的理论精确解。基于上述方法,本文求解出串联机器人的运动学全域性能指标、全域性能波动指标,据此可确定出全域运动学性能优异且性能波动较小的机构尺度参数取值范围。对串联喷涂机器人运动学参数仿真结果显示,优化尺度后的机器人运动更平稳、控制精度更高,从而证实了本文提出的机器人机构尺度优化方法的合理可行。针对管线阀门机器人的自动喷涂工艺,本文提出阀门双工位自动喷涂生产线整体布局方案。在SolidWorks软件中建立了阀门自动喷涂生产线三维模型,然后将其导入ADAMS中进行运动学仿真,仿真结果表明:机器人手腕末端点位移,机器人各关节角、角速度等在合理变化范围内且呈周期性变化、平滑无突变,确保了喷涂运动平稳性。本文最后进行了样机实验,验证了自动喷涂方案的可行性,为后续的自动喷涂代替人工喷涂提供了重要理论参考。