近些年随着人工智能的不断发展，人们对智能化的依赖越来越高，除了生活中的一些智能产品，工业生产过程中的智能化也有非常大的需求。然而工业智能化过程中复杂的工业环境对机器人以及其控制系统的性能提出了非常高的要求。本文对应用非常广泛的七自由度冗余机械臂的控制系统进行研究，包括进行详细的模型建立和分析，逆运动学求解和轨迹规划。
　　首先，本文以七自由度机械臂的关节旋转特性为依据建立右手直角坐标系，根据机械臂的关节限制条件分别建立有关节限制的运动学模型和无关节限制的运动学模型。针对不同的运动学模型分别使用正运动学解析法计算得到相对应的工作空间，其中无关节限制机械臂工作空间是一个连续且完整的区域。然而，有关节限制条件的机械臂工作区间是一个非连续区域，需依据分析过程中的依赖条件将该工作空间进行细分，使其每一个细分区域都能够推导出求解该区域的代数解析式。
　　其次，本文提出了一个简便且易理解的基于空间曲面旋转的有关节限制条件的七自由度机械臂逆运动学解析法，用于求解机械臂逆运动学的解。在所建立的运动学模型基础上，首先推导了无关节限制条件下的机械臂逆运动学求解公式，并用代数解析式的形式来描述机械臂的逆解。考虑到实际使用的机械臂都有关节限制，在无关节限制条件下的机械臂逆运动学求解方法的基础上，细分有关节限制机械臂的不连续工作空间为有限数量的连续的子工作空间，并推导出在每一个连续的子工作空间中求解机械臂逆解的代数解析式。本文所提出机械臂逆运动学求解方法为代数解析法，其具有求解快速、精确的优点，能够应用在实时性要求较高的系统中。
　　再次，本文改进了快速收敛渐进优化随机扩展树算法使其能够同时进行多个耦合路径的随机探索，并将其用于七自由度机械臂运动轨迹的求解。本算法的基本思想是以找到可使用路径为首要目标，采用固定权重的多个启发式的随机采样策略，在迭代过程中以相互优化的形式不断的降低所规划路径的总代价，进而实现优化路径的目的。本算法具有快速找到可行解的优点，可用于实时性较高的系统中。
　　最后，本文设计了一个七自由度机械臂乒乓球对弈运动控制系统，包括仿真系统与实际硬件系统。机械臂乒乓球对弈系统是体现机械臂快速、精准与稳定作业能力的综合平台。系统设计包括机械臂的运动轨迹规划、关节旋转角度求解以及电机旋转控制三部分。通过该系统验证了本文所研究算法的正确性和稳定性。