冗余度操作臂因含有多于确定操作臂空间位置和姿态所需的自由度,具有动作灵活、易于避障、克服奇异点和活动空间大等特点,从而大大改善了操作臂的运动性能。近十几年来,冗余度技术得到了广泛研究和迅速发展,已成为机器人技术的一个重要发展方向。进行冗余度操作臂设计与开发不仅具有实际应用价值,而且具有较高的理论研究价值。本文研制了一种模块化冗余度操作臂,该操作臂具有八个自由度,主要开展的研究工作有以下几个方面:首先,对正交关节和非正交关节进行了对比分析,设计了一种基于非正交关节的单自由度模块结构。模块通过采用单级齿轮副传动避免了电机轴承受较大弯矩,同时保证了模块结构的紧凑型。设计了冗余度操作臂的整体结构,并对其关节进行了受力分析与校核。其次,设计了冗余度操作臂的控制系统。操作臂采用支持多主模式和具有完善通讯协议的CAN总线作为通信方案,硬件部分设计了模块的CAN节点控制板以及用于对控制板主芯片在线烧写程序的ISP烧写板。软件系统方面,设计了上位机控制界面和下位机解析程序,实现了对舵机的位置精确控制和速度调节。自此基础上,采用D-H法建立了操作臂运动学模型,进行了正运动学求解;分析了四自由度操作臂的逆运动学解析解和工作空间。采用基于雅克比矩阵伪逆的数值迭代算法对八自由度操作臂的逆运动学进行了分析,并分别在MATLAB与ADAMS软件中对末端轨迹为直线和圆弧时进行了仿真,采用梯度投影法对操作臂进行了避关节极限运动学优化,并验证了其正确性。最后建立了冗余度操作臂的实验系统平台,该平台由PC机、CAN通讯卡、ISP烧写板以及冗余度操作臂样机组成。分别进行了六自由度操作臂末端直线运动控制实验和八自由度操作臂自运动构型实验。验证了所研制的操作臂样机系统的合理性。同时对其中出现的问题进行了分析。