近年来,冗余机械臂越来越多地应用于多臂协同、人机共融以及空间在轨作业等非结构工作环境中。多机械臂协同作业以及人机协同作业能显著提升生产效率及产品质量,并能够提高工业生产线的灵活性。此外,冗余机械臂可克服复杂及危险环境所带来的干扰和阻碍,完成人类难以胜任的任务。复杂工作环境所存在的随机性和不可预测性等因素会导致机械臂与环境之间发生碰撞,进而导致关节速度突变及硬件损坏。同时,在与障碍物交互过程中,如果不对环境进行合理建模,机械臂的运动性能,安全工作空间区域及可操作度将会显著降低。此外,机械臂逆运动学及其末端运动规划的求解时间需满足控制系统实时性要求。因此,在非结构环境中进行安全且高效的运动规划需解决障碍物建模,避障逆运动学求解以及末端执行器可行且受约束运动规划等问题。这些问题由于受机械臂及障碍物的几何构型,运动学模型及运动状态等方面影响,紧密相关。鉴于此,本文基于工作环境的动态信息对冗余机械臂逆运动学及其末端运动规划两个方面进行了深入研究,提出了7自由度冗余机械臂避障逆运动学求解算法,超冗余机械臂避障逆运动学求解算法以及机械臂末端避障运动规划算法。同时,在此基础上建立了不同应用场景的仿真及物理平台,并以Baxter双臂机器人系统以及哈工大超冗余机器人系统作为实验平台进行了算法验证实验。本文从机械臂的任务空间约束,关节限位约束以及无碰撞约束三个主要方面进行研究,设计了基于牛顿拉普森迭代法和一阶优化法的7自由度机械臂逆运动学算法,并通过对关节角度矢量进行合理调整来处理雅可比矩阵奇异问题。该算法可根据机械臂指定末端任务和障碍物几何及运动信息反馈计算避障逆解,进而避免其在运行过程中发生碰撞。此外,根据Lipschitz连续条件和β-光滑条件给出了算法中碰撞约束因子详尽的收敛性证明,并基于Lyapunov方程对该算法进行了严格的稳定性分析。最后,基于机器人操作系统和Gazebo机器人模拟器建立了机械臂仿真系统,并通过仿真及对比分析验证了该算法的可行性和有效性。为简化逆运动学求解过程,提高算法计算效率,本文通过引入启发式几何迭代法,并基于对超冗余机械臂关节位置矢量进行正向和逆向迭代搜索来解决其任务约束问题,同时基于机械臂关节和连杆间封闭式Minkowski和以及速度矢量转换设计了连杆速度矢量避障调整策略。该算法可避免复杂矩阵计算,有效地减少计算时间,同时基于关节位置矢量的求解过程有效地避免了雅可比矩阵奇异问题。此外,通过利用该算法计算效率高等特点,本文给出了可应用于软体机械臂的避障逆运动学求解方案。最后,建立了超冗余机械臂仿真系统并进行了仿真,以验证所提算法的高效性和通用性,同时还给出了该算法与其他不同逆运动学求解算法详尽的对比分析。针对机械臂末端避障运动规划以及精细操作等应用需求,本文对球面与椭球面间封闭式Minkowski和进行了扩展,引入更加复杂的超二次曲面模型,并提出了一种基于线性运动方程的末端执行器广义避障运动规划算法;同时,给出了椭球面与超二次曲面间碰撞检测方法,并基于蒙特卡洛法设计了复杂曲面外切线的求解方案;基于典型工作环境对所提算法进行了扩展,其中主要设置了包括具有多静态障碍物及动态障碍物的两种工作环境;该算法可应用于机械臂末端实时避障路径规划,同时能够处理工作环境的几何及运动信息不确定问题;此外,该算法还考虑了末端执行器和障碍物的平移及旋转速度对安全运行空间的影响;基于平面及三维工作空间进行了仿真,并给出了所提算法与其他避障路径规划算法的对比结果,证明了该算法在解决障碍物干扰方面问题的优势。为验证所提出的7自由度冗余和超冗余机械臂的逆运动学求解算法以及末端执行器运动规划算法的有效性,本文基于Baxter双臂机器人系统以及哈工大超冗余机器人系统,设计了7自由度冗余机械臂避障逆运动学求解实验,超冗余机械臂避障逆运动学求解实验以及机械臂末端避障运动规划实验等三组共七个实验项目,对所提算法的有效性及实用性进行了有针对性地验证。