与传统的六自由度喷涂机器人相比,七自由度喷涂机器人能够解决在执行喷涂任务时所遭遇到的避障,运动学奇异以及关节物理限制等问题。然而,与一般工业机器人不同,喷涂机器人常采用中空非球型手腕。七自由度喷涂机器人作为一种带有中空非球型手腕的冗余机器人,其设计与控制面临诸多挑战。为此,本文开展七自由度喷涂机器人尺度综合,逆运动学,奇异分析以及解冗余问题技术的研究工作。首先,进行七自由度喷涂机器人的机构综合任务。先通过比较分析,确定机器人的手腕构型和手臂构型,并将它们组合得到七自由度喷涂机器人的构型。之后,根据汽车喷涂任务确定了任务空间。采用基于任务的尺度综合方法,将机器人关节转角限制和不与车体发生碰撞考虑进内,采用模拟退火算法进行优化,最终确定了在满足喷涂任务要求下的机器人最小连杆尺寸以及安装位置。其次,研究七自由度喷涂机器人逆运动学并进行奇异分析。为了解决逆运动学中的位姿耦合和冗余问题,提出了一种解析法与数值法相结合的组合逆解算法。首先,通过近似处理和等效变换将机器人处理成具有3R球型手腕的一般七自由度机器人,以臂型角作为冗余参数通过解析法获得机器人的近似逆解。之后,以获得的近似逆解作为数值迭代法的初值,通过采用增广雅可比矩阵的阻尼最小二乘法更新关节角,迭代获得最终精确逆解。通过三个仿真实验验证了所提出的算法不仅具有很高的计算效率和精度,还能够充分展示七自由度喷涂机器人的自运动特性。在对机器人进行奇异分析时,为了降低分析难度,同样将机器人处理成具有球型手腕的机器人,采用基于旋量互易的方法,分析出机器人发生奇异的四种情况:肩部位置奇异,肘部位置奇异,肩腕姿态奇异和腕腕姿态奇异。通过雅可比矩阵奇异值分解,验证了分析出的奇异条件并识别出奇异方向。最后,开展解冗余问题研究工作。将冗余问题转化为二次规划问题,采用求解分段线性投影方程的数值迭代方法作为二次规划问题的求解器。根据分析出的机器人发生奇异的条件,推导出避开奇异的不等式约束,通过解二次规划问题实现避奇异功能。以内喷汽车车头为例,考虑车体运动,通过在二次规划问题中添加避碰不等式约束,实现了避碰任务。以顶喷汽车车顶为例,将可操作度集成到目标函数中,实现优化喷涂过程中机械臂可操作度的任务。在加速度层面,采用带阻尼的最小关节扭矩二范数法,实现了稳定地优化机器人关节扭矩的任务。