随着工业生产任务的加重以及生产需求的变化,用户对机器人的要求也不断增多,机器人不再是单纯地替代人工。如今,工厂对机器人的快速性、准确性和安全性等性能提出了更严苛的要求。因此,本文针对多样的笛卡尔空间路径,在时间最优、轨迹准确和安全运行等方面展开了研究。首先,从运动学和动力学两方面对机器人进行分析和建模,为轨迹规划和轨迹跟踪研究奠定数学基础。本文依据机器人的几何结构特征,建立了正运动学模型。又根据机器人后三个关节交于一点的特征,对机器人前三个关节和后三个关节分别采用代数法和欧拉角变换法,建立了逆运动学模型。在运动学方面,还分析了奇异问题。为了规避奇异,将奇异参数中加入阻尼系数,设计仿真实验验证了方法的有效性。在动力学方面,运用计算速率较快的牛顿-欧拉法进行动力学建模,并进行仿真实验验证了模型的计算效率和正确性。其次,基于运动学约束和动力学约束,设计了一种时间最优轨迹规划算法,实现机器人快速移动和安全运行的目标。对于直线、圆弧和样条曲线等单段路径,采用路径-速度分解框架,依次完成参数化处理、计算可行域和可达集、调整插值点、轨迹平滑处理和生成轨迹等步骤。在插值点的分布上提出新的思路,先根据路径长度进行粗取,计算完可达集后,再根据加速度和曲率信息进行调整,使得轨迹更加精确。另外,在求解可达集的时候,提出了正反搜索算法,相对于传统搜索算法更有效率。对于多段路径,本文着重讨论了多条直线拼接的情况,对直线段和混合段分开处理,还设计了一个持续运行的多段连续运动的算法。随后,设计仿真实验,初步验证了算法的效果。最后,搭建好实验平台,对算法的效果进行了实物测试,结果表明本算法对传统算法具有较大时间优势,并且在时间上已经接近国外水平。最后,为了实现机器人准确运行的目标,设计基于PID控制的前馈控制方案。首先,建立关节摩擦模型,设计实验进行摩擦辨识。然后,利用最小二乘法对摩擦参数进行辨识。之后,进行摩擦补偿,完善动力学模型。在精确的动力学模型下,设计了基于PID控制的前馈控制方案。搭建ADAMS和SIMULINK的联合仿真平台,设计仿真实验,初步验证了前馈控制的效果。随后,进行高速下的轨迹跟踪实验,测得的路径误差在合理范围。