随着高速重载工业机器人尤其是高速重载搬运机器人在冶金，汽车制造，物流码垛等行业的广泛应用，对机器人的负载能力、速度、加速度和运动平稳性、定位精度提出越来越高的要求。本文结合国家科技重大专项04专项项目“重载搬运机器人研发及产业化（2011ZX04013-012）”，“新型弧焊及点焊机器人（2009ZX04013-011）”以及国家高技术研究发展计划项目“高速重载点焊机器人及成套装备研制（2009AA04Z216）”，开展了重载搬运机器人动力学建模；基于动力学和控制性能的本体动态优化设计；基于动力学的最优运动规划和底层伺服控制；以及基于工控机，实时系统和高速总线的高性能运动控制体系结构等关键技术研究，在此基础上研制出具有350公斤负载能力的高速重载搬运机器人原型样机，并进行了相应的性能测试实验。　　本文首先建立了双平行四边形重载搬运机器人运动学和刚体动力学模型，分析了该机构基本动力学特性。在此基础上，考虑了关节柔性，建立了含有柔性关节的动力学方程。针对杆件柔性，基于假设模态法对杆件变形进行描述。同时考虑关节柔性和杆件柔性，分别基于Lagrange法和Kane法建立了机器人动力学方程，并分析了各自的优缺点和适用场合。对所推导的动力学模型计算值与ADAMS仿真值以及实测值进行对比验证。针对考虑柔性部件后逆动力学方程求解的复杂性，为了避免迭代计算，提出了一种新的求解方法，将多柔体系统逆动力学求解问题转化为控制问题，通过测量控制力矩近似替代逆动力学计算结果。结果表明，所推导的各动力学方程形式正确，且随着对部件柔性的考虑，动力学方程计算值与实测力矩值在波动趋势上的吻合度得以提高，能反映驱动力变化的整体趋势。　　在重载搬运机器人本体动态设计方面，针对系统运动学性能、静力学性能、动力学和控制性能提出了包括动力学耦合指标、末端加速能力指标、全局静刚度和一阶模态频率最小值指标在内的八个设计指标，分别将其作为目标函数和约束条件。建立了一个具有三个目标函数的多目标优化模型。同时针对优化模型多设计变量，多优化目标，传统优化方法求解复杂，且求解效果依赖于权重选取的问题，采用NSGA-II非支配遗传算法进行求解。在得到最优的Pareto解集基础上，附加考虑其他方面的设计要求，确定了最终设计参数。优化结果表明整个优化模型和优化方法是可行的，其以保证控制性能为主要出发点，同时兼顾了机器人的运动学，静力学等多个性能指标。在主要设计参数确定后，又对包含平衡器，二轴驱动关节为代表的重要部件进行结构优化，利用优化的平衡器有效降低了二轴驱动部件指标要求。同时对机器人二轴支撑方式进行了优化，解决了增加平衡力矩之后带来的减速机承载弯矩过大的问题。　　在运动指令规划方面，基于刚体动力学方程，采用起始点和终止点保持加速度连续的改进样条曲线，提出了一种时间与能耗最优的重载机器人最优运动规划算法。基于柔性关节动力学方程，区别于传统运动规划算法中仅仅对确定函数参量进行优化，而根据实际控制要求，构造性能指标函数，将最优运动规划问题视为泛函极值求解问题。并基于Pontryagin最小值原理将泛函极值问题转换为常微分方程组边界值问题，继而将终点边界释放，将边界值问题转化为初值问题。再进一步转化为非线性方程组求解问题，并构造同伦映射，增大迭代解收敛域，结合Broyden法替代求导运算对方程组进行求解。最终提出了一种新的点对点最优运动规化算法，与点对点直线运动规划进行了对比实验。结果表明，采用优化后所得运动规划，虽然运行轨迹较直线距离略长，但力矩峰值，力矩均值和波动情况均有所降低，有效地降低了减速机，驱动器和电机的负荷。　　对同时考虑关节和连杆柔性的串联重载搬运机器人，采用奇异摄动方法将复杂的高阶系统转化为降阶子系统。对于含有柔性关节和运动闭链的并联型重载搬运机器人，针对同时存在闭链运动代数方程和柔性变形造成动力学形式复杂和阶数较高的问题，两次构造奇异摄动模型消除闭链运动代数方程并将系统降阶，使原有的高阶微分代数系统转化为具有常微分方程形式的降阶子系统和自然收敛的边界层子系统。对所获得的慢，快子系统分别采用计算力矩控制和线性二次型最优控制。仿真结果表明，采用奇异摄动的复合控制可以有效的提高轨迹跟踪精度，并使暂态柔性变形以最大速度衰减。并且采用两次摄动方法与直接闭链代数求解所得控制的控制效果相似，针对运动闭链的两次摄动方法有效。　　在重载搬运机器人控制系统具体工程实现方面，首先对运动控制系统进行任务分解，然后根据不同的控制结构类型，任务分配和指令传输方式对主流运动控制系统进行分类比较。在此基础上提出了基于高性能IPC、实时系统和高速通讯总线并具有前馈补偿结构的控制系统架构。运动学，动力学和用于前馈补偿的伺服控制算法在IPC中完成。实时系统TwinCAT完成伺服周期定时。在每一个伺服周期内伺服控制指令通过高速通讯总线EtherCAT传递给驱动器，并完成运动指令的反馈。伺服控制指令被叠加到电流回路作为前馈补偿，用于补偿动力学耦合和结构柔性产生的非线性效应。基于运动控制状态机，编写了机器人底层控制软件，最终完成了重载搬运机器人控制系统的建立。实验结果表明，该机器人具有较高的重复定位精度和较高的动态响应性能。