随着机器人技术的快速发展,工业机器人已由早期的物料搬运、点焊、弧焊、涂胶密封、冲压压铸等简单操作越来越多地应用于加工领域,如:制孔、铣削、磨削以及搅拌摩擦焊等高精度金属切削加工,从而替代人工作业,极大地提高了产品的加工精度和生产效率。工业机器人相比于传统数控机床具有结构紧凑、灵活性好等优势,特别适用于航空航天、船舶、高铁等需要在装配现场开展大量钻孔、镗孔、磨削和铣削等切削加工的场合,由于需要装配的零部件尺寸往往较大,现场工装设备复杂,而传统的多轴数控加工中心占地面积较大,灵活性不高,通常无法适应此类大型复杂结构件的现场加工需求。然而,传统工业机器人在加工应用中仍存在一些问题亟待解决:（1）传统工业机器人的驱动部件由回转关节处的伺服电机和减速器构成,减速器的内部柔性使开链式机械臂的整体刚性变差,导致机器人在大负载切削加工时的末端刀具严重偏离期望的运动轨迹,直接影响机器人的加工精度;（2）减速器的内部齿隙不仅影响机器人的加工精度,也会因为外部载荷方向的快速改变而引发机器人振动,消除齿隙的影响是提高机器人精度的重要途径;（3）传统工业机器人为大臂和小臂串联式结构,机械臂末端载荷相对于回转关节形成的等效弯矩负载完全由关节处的伺服电机承担,因此,对关节伺服电机的驱动功率要求较高。为了解决传统工业机器人在加工领域存在的上述主要问题,本文从机器人结构入手,结合机器人机械加工的实际需求,设计了一种基于开闭链混合机械臂的五自由度无间隙传动工业机器人。文中对机器人机械臂的驱动能耗特性、全域静刚度性能、机械臂的刚度质量比及双电机驱动机器人关节的消隙性能等方面展开了深入研究,提出了开闭链混合机械臂的刚度解析/半解析建模方法,基于变偏置力矩的双电机驱动系统消隙控制方法等,并基于刚度质量比最优对机械臂结构进行了优化设计,通过仿真、实验和综合分析等结果对提出的理论和方法进行了验证。研究成果为构建新型机器人加工系统提供了理论依据,同时,可有效扩展机器人机械加工的手段和途径。全文的主要研究内容如下:（1）论述了课题研究的背景及意义,概括性总结了在工业领域中机器人发挥的重要作用及发展现状,对提高机器人加工精度方法、机器人刚度建模方法、降低机器人能耗方法、机器人结构参数优化设计方法以及传动系统间隙消除方法等的研究现状和问题进行了总结和归纳。（2）针对传统工业机器人刚性差,关节传动间隙影响机器人精度的问题,面向机器人加工的实际需求,设计了一种基于开闭链混合机械臂的五自由度无间隙传动工业机器人。与传统工业机器人的开链式机械臂不同,本文机器人的大臂和小臂分别采用平行四边形框架及电动缸对角驱动的结构形式,即在开链机械臂的局部引入闭链结构以增加系统的结构刚性。机器人大臂和小臂电动缸的滚珠丝杠副采用双丝母预紧消除了反向传动间隙,此外,机器人腰关节和腕关节的每个自由度均采用双电机驱动结构使其具备消隙能力。（3）为了对比研究本文开闭链混合机械臂与传统工业机械臂的驱动功率及能耗特性,分别建立了两类机器人机械臂的驱动功率及能耗模型。通过理论计算、仿真分析以及实验结果表明了与传统开链式工业机械臂相比,本文基于平行四边形框架对角驱动的开闭链混合机械臂可以有效降低机器人驱动外部负载的功率和能耗。（4）为了研究新型机械臂的全域静刚度性能,基于开闭链混合机械臂的结构特点,提出了基于能量法和卡氏定理并结合机械臂杆件结构参数及等效刚度值计算外部载荷作用下的机器人变形量,对机器人进行全域静刚度建模的解析/半解析方法,该刚度建模方法兼顾了计算精度和求解效率。通过机器人的整机刚度有限元计算结果以及原理样机的刚度实验结果验证了刚度建模方法的有效性,并实现了机器人的全域刚度性能预估。（5）针对机器人刚度和质量这两个重要的性能指标,提出以机械臂刚度质量比为目标优化函数,以机械臂尺寸参数、杆件刚度匹配系数及末端刚度等为约束条件,利用非线性规划遗传算法对机器人结构参数进行了优化设计。通过改变约束条件可以得到具有不同刚度及质量特性的机械臂结构参数,使机械臂具备满足特定应用场合的操作性能。研究结果为机器人结构参数优化设计提供了理论依据。（6）针对文中提出双电机驱动机器人关节的消隙性能,在分析现有典型双电机消隙控制方法不足的基础上,提出了基于双电机驱动系统电机电流的变偏置力矩消隙控制方法,即根据电机电流值及设定的转换函数,动态输出偏置力矩以实现消隙控制与共同驱动控制之间的相互转换。同时,给出了转换函数中电流设定值的选取方法,为工程实际应用提供了理论依据。通过双电机驱动系统消隙控制仿真及实验结果验证了双电机驱动机器人关节的消隙性能。（7）为了研究开闭链混合工业机械臂的加工性能,通过机器人原理样机的钻孔加工实验结果以及对全尺寸机器人钻孔加工性能的预估结果初步验证了本文机器人用于机械加工的可行性。最后,总结了全文工作,同时指明了下一步需要开展的研究工作。