本文密切结合高性能工业喷涂机器人在汽车制造等行业中的重大需求,系统研究了一种7R 6-DOF型喷涂机器人的构型设计、逆运动学算法及奇异性分析、静刚度建模、结构优化设计、参数标定等关键技术问题,旨在为这类喷涂机器人的自主研发和工程应用奠定坚实的技术基础。全文得到了以下创新性成果:在结构创新设计方面,通过分析汽车车身喷涂工艺特点和对喷涂机器人的运动要求,集成4R 3-DOF型手腕和3R关节型手臂,提出了7R 6-DOF型喷涂机器人的构型方案,分别对手腕机构和手臂机构进行传动方案设计、关键结构参数分析和详细结构设计,完成了喷涂机器人整机的结构创新设计。在逆运动学与奇异性分析方面,通过建立7R 6-DOF型机器人与6R正交球型手腕机器人间的等效变换,提出一种7R 6-DOF型机器人逆运动学的组合解法,以等效6R机器人的逆运动学解析解推导7R 6-DOF型机器人的近似解,以基于雅可比矩阵的迭代算法计算精确解,组合算法提供可靠的初始解,提高了算法的精度和效率。基于7R 6-DOF型机器人的几何特征,提出机器人逆运动学的一维搜索法,分析了逆运动学的多解问题。基于7R 6-DOF型机器人与等效6R机器人之间速度级等效变换,完成机器人奇异性分析,获得位置奇异和姿态奇异条件。提出机器人奇异点规避方法,特别是基于功能冗余的概念提出改进的运动分解法实现姿态奇异点规避。在静刚度建模方面,提出了考虑重力影响、以及关节和连杆刚度的整机静刚度建模方法。采用虚拟关节法分别建立位置机构和姿态机构刚度模型,根据线性叠加原理,求得整机静刚度模型。通过对手腕耦合关节力和变形的传递分析,模型考虑了耦合关节的影响。为了考虑连杆在自身重力作用下的变形,提出了连杆重力等效广义力变换法,并基于有限元法给出等效转换矩阵的求解方法。给出了关节刚度及连杆刚度的估算方法,分析了7R 6-DOF型喷涂机器人末端变形在工作空间内的分布规律,及各部件对末端变形的贡献。在结构优化设计方面,提出了一种基于静刚度模型的结构集成优化设计方法。基于整机静刚度模型进行末端变形分析,并以最大变形对应位姿为典型位姿计算负载条件,解决负载随机器人位姿的变化。通过建立表征部件质量和刚度关系的刚度元模型,将系统结构优化设计划分为部件结构拓扑优化和系统参数优化,提高结构优化算法效率。算法采用循环迭代格式,解决随优化进程负载条件变化的问题。以7R 6-DOF型喷涂机器人为例,描述了结构集成优化设计的流程,算例表明,在整机质量约束下,机器人末端位置变形明显减小,验证了所提出结构优化设计方法的有效性。在参数标定方面,基于MDH模型,建立了运动学参数辨识模型,根据参数在控制器内的可补偿性和约束关系,对辨识模型进行了参数缩减,完成了待辨识参数的可辨识性分析。分别建立机器人柔度参数和自重参数辨识模型,通过分析柔度矩阵的特性和对辨识雅可比矩阵的QR分解,完成辨识模型缩减和待辨识参数的可辨识性分析。以自主研制7R 6-DOF型喷涂机器人样机为对象,开展了标定实验。实验结果表明,采用缩减的运动学参数辨识模型,平均位置误差由标定前4.678 mm减小到0.831 mm;同时进行运动学参数和自重参数标定,平均位置误差进一步减小到0.534 mm;通过柔度参数标定,可有效减小机器人在负载作用下的变形,进而验证了提出运动学和非运动学参数标定方法的有效性和可行性。本文的研究工作已用于指导一台7R 6-DOF型喷涂机器人的设计和建造,可以丰富和发展工业喷涂机器人的设计方法与理论,对推动相关技术与装备的自主研发和工程应用具有重要的理论意义和工程实用价值。