针对插接管道的相贯线焊缝扫查轨迹特点，设计了一种7自由度的焊缝扫查机器人。该机器人安装在具有剖分式、变直径、自动对心等特点的管道夹具上，根据力学分析结果，设计了两台管道夹具，以分别适应100～200mm、200～400mm的管道直径。与管道夹具对心连接部位，设计了一种可驱动机器人进行360°旋转的大转盘，大转盘上安装着具备三个位置自由度与三个姿态自由度的机器人手臂。该机器人手臂的关节设有一种电机卸载轴承座，可实现机器人关节输出扭矩与弯矩的分离。该机器人系统采用上位机(工控机)/下位机(单片机)、单片机/步进电机控制器复合控制驱动方法，通过上位机的软件控制实现了机器人手动、自动与复位控制功能。 基于齐次坐标变换与D-H约定关系，通过几何法求解了与相贯线扫查参数相关联的机器人逆运动学问题。基于管道相贯线表面探块扫查的几何特点，为确定末端探块位置与姿态，提出并实现了一种与通用机器人欧拉角变换功能类似的坐标转换方法。通过引入冗余降解参数y、扫查半径R、被扫管道半径Rb和管道安装高度h等参数，建立了机器人逆运动学求解模型。 基于病毒遗传算法(VEGA)建立了插接管道焊缝扫查机器人以最小能量优化为目标的综合轨迹规划算法，在机器人冗余度空间内确定了综合性能最优的关节姿态。研究了算法需满足的四大限定条件：肘点障碍碰撞回避条件，任务空间内轨迹扫描精度条件，机器人极限安装高度限制条件，包含速度与关节力矩的动力学限制条件。对插接管道焊缝扫查机器人能量最小轨迹的VEGA计算仿真结果表明：机器人最末连杆L3处于铅垂状态的轨迹所消耗的能量为最小。本算法无需进行机器人逆运动学求解，避开了冗余机器人必须求解伪逆矩阵及奇异点等难点。 在笛卡儿空间连续轨迹规划问题框架内，研究了末端位置误差受限条件下机器人轨迹所需最小插值节点的规划模型。在传统节点规划二分算法(BA)的基础上提出了一种新的继承二分算法(IBA)。IBA分为两个步骤：第一步是进行低位置精度的一次节点BA规划，第二步是继承第一次规划结果的高位置精度二次BA节点规划。仿真结果表明：IBA所需的IKC(逆运动学求解)次数要少于BA所需的IKC次数，在位置控制精度较高的场合采用IBA算法能够有效提高控制节点规划的计算效率，从而有利于提高实时控制的控制效率。 给出并证明了一种主动可控关节与被动柔顺关节相配合、内环与外环控制相分离的串联机器人位置/力控制方法。这种控制方法的核心是将机器人主动关节部分划分为可控的内环控制部分，被动关节的控制需要通过主动关节的调节来间接实现，被动柔顺关节的控制是控制系统中的外环控制部分，其功能为：提供并成为主动关节内环控制系统中的输入量。采用位控与力控分离、主动与被动分离的方法提出了位置/力串行控制策略，并建立了插接管道焊缝扫查机器人位置/力控制问题模型。仿真研究了分度角分别为0°、30°、60°与90°所对应的圆、椭圆及直线的截面线轨迹扫查控制情况，结果表明存在初始偏差扰动的机器人，经过位置与力控制后都能到达预定的位置并满足力控制要求，从而证明了整个控制策略的有效性。 模拟核电站插接管道焊缝扫查环境进行了机器人焊缝超声波扫查试验。建立了核电站插接管道焊缝扫查复合轨迹模型，采用IBA实现了机器人离线轨迹规划中的控制节点规划，校正了机器人初始安装高度。机器人控制试验结果表明：周向、径向复合轨迹扫查的位置控制精度≤1mm，轨迹重复定位误差≤0.5mm。机器人在轨迹控制中能够将超声波探测器准确定位在人工反射体中内含孔隙的部位，探测器能够获取相应的峰值超声信号，探测器与接触面耦合良好，表明机器人位置/力控制满足使用精度要求。