近几十年来,国家大力发展科技,并在工业4.0的影响下,机器人在各行各业中得到广泛应用。但在应用过程中,存在一些问题,例如精密部件制造困难、控制精度较低、整体成本较高等,国内为此投入了大量的资金和技术来解决这类问题。机器人控制系统属于非线性、多变量、强耦合、并存在未知扰动等因素的复杂系统。为了提高系统控制精度和减少制造成本,同时对扰动具有较强的鲁棒性,本文在构建机器人动力学模型的基础上,从工程模型和轮廓误差交叉耦合方面出发,结合滑模控制的优点,设计了控制器和观测器,研究了直角坐标机器人运动轨迹跟踪控制。具体的研究内容如下:首先,介绍了直角坐标机器人的组成结构,分析近几年针对此类机器人建模存在推导繁琐、学科交叉多等问题。因此,文中对机器人机械机构近似,简化其推导过程,利用拉格朗日方法构建了其动力学模型,为以后的研究工作做好铺垫。其次,为了增加机器人三轴轨迹跟踪的整体协调性,避免多轴不同步对构件造成损坏,同时改善其控制性能,将滑模控制和同步交叉耦合控制结合,将各轴跟踪误差和轴间误差形成交叉耦合系统误差,设计了一种同步滑模跟踪控制器,并通过对三轴跟踪控制、同步误差和跟踪误差研究,同线性滑模控制对比,控制性能整体有了一定的提高,通过仿真证实了方法的优越性。再次,由于机器人各轴位置采用传感器进行采集,增加了制造成本,且传感器元件受自身精度的影响,也会影响系统的控制精度。因此,在前文构建模型的基础上,设计了直角坐标机器人的改进型非线性扩张观测器,解决了传统非线性观测器中误差校正函数分段切换和不可导问题,不仅对系统状态和扰动有较好的估计跟踪,还可以作为前馈,增加其抗扰性能,加快了系统收敛的速度,减少了成本,提高了控制精度。最后,引入了系统轮廓误差概念,轮廓误差模型轨迹跟踪是比轨迹跟踪更重要的一项性能指标,是从几何意义进行设计。因此针对直角坐标机器人,建立了轮廓误差模型,然后加入终端滑模交叉耦合控制,设计了改进的双幂次趋近律,弱化了抖振,为减少稳态误差,各轴加入了积分补偿项,使得系统在三轴整体控制上取得了较好的效果,仿真研究结果也表明了其有效性。