机械臂运动规划子系统是机械臂系统中的重要组成部分。其任务是在规划机械臂的运动路径时,保证机械臂满足不与地面和着陆器干涉的约束、机械臂关节角度切换次数最少的约束、机械臂最快到达目标位形的约束、机械臂关节电机驱动力矩安全性约束等。本文以着陆器上4自由度正交解耦柔性机械臂为研究对象,研究了机械臂的正逆运动学,并在此基础上研究了机械臂的碰撞检测、显式动力学建模及路径规划用来满足上文提到的机械臂无干涉约束、机械臂关节电机驱动力矩安全性约束及机械臂以不同方式到达目标位形约束。首先,基于D-H系,建立机械臂运动学模型,完成机械臂的正逆运动学解算。通过树链结构位姿的传递性,可以计算出任意姿态下,机械臂各杆上某点的位置。根据四自由度正交解耦机械臂的结构特点,采用位姿分解的方式,将4自由度逆运动学解耦为3自由度位置逆运动学和1自由度方向逆运动学。先通过欧几里得范数计算机械臂腕心位置再求采样器姿态的逆运动学解析解。机械臂运动学的准确性由正逆运动学互验的结果检测。准确的机械臂运动学计算为机械臂碰撞检测,挠性补偿和运动规划的研究奠定了基础。其次,为满足机械臂与地面和着陆器避碰的约束,采用传统AABB树法进行粗碰撞检测,并提出虚拟传感器法和改进AABB树存储结构来进行精碰撞检测。将地面点云数据进行Delaunay三角化得到地面点云三角面集,同时把着陆器模型进行凸包分解,提取模型数据信息,获得着陆器模型三角面集。把三角面集存储于AABB树中,进行粗碰撞检测。对于碰撞检测精度要求较高机构,用类似于激光测距仪的虚拟传感器包围该机构,并将粗碰撞检测得到的可能碰撞的三角面集存储至改进后的AABB树中,利用检测空间中线段与三角面是否相交的方法进行精碰撞检测。该方法为机械臂路径规划中的安全性检测奠定了基础。同时,针对柔性机械臂各杆件的弹性变形对机械臂末端运动精度产生影响的问题,提出了基于显式动力学的挠性补偿方法。因拉格朗日法是一种代数方法,拥有对所关心的运动状态建立相应动力学方程的优点,可利用拉格朗日法对机械臂进行显式动力学建模。通过建立机械臂的动力学模型,计算机械臂任意姿态下各轴所受的力矩,由该组力矩计算柔性机械臂的挠性形变,修正机械臂末端的运动精度。机械臂的显式动力学模型为机械臂规划中力矩安全性检测奠定了基础。然后,提出一种改进A*算法的SA*算法满足机械臂关节角度切换次数最少约束,并通过A*算法满足机械臂最快到达目标位形约束。SA*算法中通过代价削减减少关节角度切换次数。A*算法中通过用欧氏距离代替海明距离减少初始位形和目标位形的距离,由仿真实验可以看出这两种方法可以分别满足两种不同的约束。机械臂碰撞检测和机械臂各关节电机驱动力矩安全性检测分别在SA*和A*算法扩展节点的过程中实施。保证机械臂运动路径的安全性。最后,根据工程需求,在VS2010开发平台上基于MFC框架类和三维仿真包,开发一套适用于这种构型的三维仿真工具。该仿真工具集成了运动学、碰撞检测,显式动力学及路径规划模块;通过可视化仿真,有效验证了机械臂运动学模型、机械臂碰撞检测、机械臂显式动力学建模及机械臂路径规划的正确性。