随着人类科学技术的不断发展,人口红利逐渐消失,“机器人换人”浪潮的兴起,机器人技术正在迅猛发展。机器人作为一种集高新技术为一体的机电数字信息化设备以其高效、安全、高精度等优点被广泛应用,其中包括工厂无人化生产、医疗卫生、海洋勘探、外太空作业、生活娱乐等。随着各个领域不断发展与提升,对于机器人工作性能与工作精度的要求也随之提高。系统深入的研究机器人运动学、动力学、高精度轨迹跟踪控制等方面的问题则具有重大意义。以五自由度串联机械臂模型为基础,对机器人运动学、动力学、轨迹跟踪控制问题进行系统的研究。一、以旋量理论为基础,采用指数积公式对5-DOF机械臂的正运动学方程进行了求解,并通过计算求解检验了方程的准确性。应用所得到的正向运动学方程基于蒙特卡洛的思想方法对其工作空间进行分析,得到五自由度机械臂工作空间的整体形状。随后又应用德劳内三角剖分算法对得到的工作空间进行整体整合,使其工作空间整体表面更加平滑与清晰。对于五自由度机械臂的逆解问题,利用Paden-Kahan子问题方法与机械臂的几何特性对各个关节的逆解进行求解,并通过仿真验证求解的正确性。二、应用拉格朗日方程对机械臂的动力学模型进行求解,并对机械臂的动力学模型进行了相应的处理。由于五自由度机械臂动力学方程整体较为复杂且计算量较大,所以对其动力学方程进行了合理的简化,并进行了机械臂参数动力学特性的分析,包括惯性特性,重力矩特性等。通过将ADAMS仿真得到计算曲线与动力学方程计算求解得到的结果相互比较验证了简化后的动力学方程的正确性。三、以简单的二连杆模型为研究对象,进行控制算法的设计与仿真。首先基于机械臂的动力学模型推导设计了计算力矩控制算法与自适应鲁棒控制算法,通过仿真对比两种控制算法。针对机械臂系统中的摩擦扰动设计了一种鲁棒控制算法用以补偿摩擦扰动对机械臂控制系统的影响,通过仿真验证了其有效性。四、以本文设计的五自由度机械臂的动力学模型为基础,基于Simulink仿真平台,针对之前设计的控制算法设计了控制仿真框图进行相关仿真分析,对之前设计的控制算法进行程序化计算。随后,应用Matlab/SimMechanics与ADAMS联合仿真进行机械臂可视化的运动控制,验证仿真过程的可行性。