串并混联机构不仅克服了串联机构刚度小、累积误差较大、承载能力不足等缺点,也克服了并联机构工作空间小等问题,在提高了刚度和承载能力的同时,获得较大的工作空间,拥有大范围、多角度、高灵敏、大载荷等特点,能很好的满足搬运、切割、焊接、抓取、雕刻等实际工作过程中与环境交互的应用需求,是机械臂机构学研究的重要发展方向。本文立足于机械臂运动学及相关控制理论,设计了一种串并混联机械臂,通过研究该串并混联机构相关运动学问题和控制问题,完成了串并混联机械臂的设计与实现。本文主要研究内容包括:1、设计机械臂结构并进行优化。根据设计期望,确定以4-R串联机构搭载3-RRR纯转动球面并联机构的机械臂构型方案,建立其理论研究模型。利用齐次变换矩阵建立了并联机构动静平台的转动角度变化方程,通过D-H法,推导了串联机构的坐标变化方程,最终联立获得整个系统的运动学模型。对并联部分求解其空间奇异位置,并利用MATLAB进行运动空间模拟。使用粒子群算法优化神经网络的方法对并联机构进行结构优化,得出并联机械臂优化尺寸参数,对整体机械臂建模并设计传动结构,为之后的仿真和实验提供了物理模型基础。2、搭建了机械臂控制系统的硬件平台和软件平台。采用“PC+单片机”控制模式,基于STM32控制器设计了控制板,该控制板接收上位机发送的运动指令驱动电机运转,并实时收集电机位姿信息反馈给上位机。上位机系统基于Visual Studio软件开发,设计了可人机交互的图形化控制界面,实现向下位机发送指令的功能。基于Keil编写了单片机控制程序,并烧录到控制板中。通过上位机和下位机的协同控制,实现了对串并混联机械臂的运动控制和位置信息采集。3、对机械臂系统在运动过程中的轨迹规划和控制算法进行研究。提出基于遗传算法优化的模糊PID控制,该方法大幅度降低了电机的超调量且提高了稳定性。使用三次多项式插值法和S形曲线控制算法对轨迹规划进行设计,通过该方法优化过后的运动轨迹与理想状态运动轨迹大致吻合,能够达到机械臂运动平稳的目标。4、在ADAMS中进行运动仿真,验证动平台位置、速度、加速度,仿真结果达到要求。搭建样机实验平台,测试了模糊PID控制算法,进一步对样机进行位置控制实验,并联机构动平台的测试数据与仿真数据一致性较好,初步验证了运动学模型和控制方案的合理性,满足串并混联机械臂整体设计要求。