与传统机械臂相比,冗余机械臂在灵活性、稳定性、精确度等性能方面表现更为优异,由于其自运动特性,使得它在任务空间中具有避开关节极限、关节奇异点、躲避障碍物等的能力。冗余机械臂因其自身的优势,逐渐成为了工业领域的研究热点,得到了较广泛的应用。本文依托于山东省重大科技创新工程项目-模块化智能机械臂的设计及柔顺协作控制研究,设计了一款具有肩部、肘部偏移的冗余机械臂,并对其运动学、轨迹规划、关节控制展开了研究。首先,参照人的手臂设计一款基于肩部、肘部具有偏置的七轴机械臂构型,应用模块化思想完成了关节机构的模块化设计,包括关节传动机构设计、电机、谐波减速器等相关零件的选型设计;并对关键传动零件进行了强度校验,最终在Solidworks环境完成了对机械臂关节以及机械臂整体的3D建模。其次,根据机械臂的结构建立了其运动学模型,推导出机械臂的正运动学关系式,基于蒙特卡罗方法,得到机械臂的工作空间;运用几何法以及固定关节结合的方法推导出机械臂的逆运动学方程;然后给出了一种针对多解问题的通用优化方法,即以机械臂关节极限为约束选取对应的最优解。然后基于随机采样算法原理对机械臂进行路径规划;基于RRT*算法收敛速度过慢,通过扩大采样节点的父节点选取范围,对RRT*算法树枝扩展的方式进行优化,此外引入双向策略以提高RRT*法的搜索效率,在保证RRT*算法渐进优化能力的同时,加快了RRT*算法的收敛速度,在Matlab环境中完成机械臂在三维空间中的路径规划,仿真结果验证了改进算法的可行性以及相比RRT*算法更快的收敛速度。最后,搭建了机械臂单关节实验平台;利用Matlab自带的GUIDE工具箱创建仿真平台控制界面,编写界面各模块的底层函数,实现了机械臂的正运动学、逆运动学、路径规划、通信系统四个模块的功能;基于RS485总线Modbus协议,针对机械臂的多项式插值轨迹规划,完成了对肩关节的实时控制,得到了关节轨迹的实时误差。