随着工程机械的迭代和工业技术的发展,重载液压机械臂具有大负载、大功率和灵活的特点,因此也逐渐成为灾后救援、核废料处理、消防和重型施工等场景所必要的设备。然而,重载液压机械臂一般由液压系统、阀控元件和并联刚体结构等组成,整个系统的动力学是高度非线性的,从而给液压机械臂的高精度轨迹跟踪控制带来了挑战。此外,在主从遥操作控制系统的应用中,重载液压机械臂惯量大、阻尼低且多关节耦合,与非结构化环境进行交互过程中极易造成冲击与振动,进而对遥操作系统稳定性和透明性造成严重影响。对重载液压机械臂的高精度轨迹跟踪控制和遥操作控制展开研究,有利于扩展其应用空间和提高其工作效率,在工程领域具有重大意义。本课题以重载液压机械臂为研究对象,从灾后救援工作的实际需求出发,对其动力学参数辨识方法、基于动力学的控制器、末端接触力测量方法、双边遥操作的力反馈共享阻抗控制进行了设计。研究了基于非线性动力学模型的液压机械臂的控制方法,获得了更加优越的控制效果和控制精度,研究了基于共享阻抗控制的双边遥操作控制方法,有效地减缓液压臂与环境间的冲击力,并且改善了主端的操作感受。其相关研究内容如下:第一章,介绍了重载液压机械臂在救援场景下的研究背景和发展需求,分析了在救援工作中面临的主要挑战,并且阐述了双边遥操作在该场景下的优势。对本课题的两个主要研究点:基于液压机械臂的轨迹跟踪控制、双边遥操作阻抗控制分别进行了阐述并介绍了相应的研究现状。第二章,为了给液压机械臂的轨迹跟踪控制器提供准确的动力学参数。首先,对整个液压机械臂系统进行模型线性化;然后,通过递归最小二乘法辨识出该系统的动力学参数;最后,将辨识后的数学模型与实际的物理模型进行分析比较,得出该辨识方法能够为文中控制器提供准确有效的动力学参数。第三章,为了高精度地控制液压机械臂的轨迹跟踪。首先,对液压机械臂的复杂系统拆分为若干简单子系统;然后,对每个子系统进行动力学建模,通过速度和力的迭代构建了完整且精确的液压臂动力学模型;紧接着利用非线性动力学前馈项和线性反馈项对每个子系统进行稳定控制,进而稳定控制了整个液压机械臂系统;最后,利用李亚普洛夫方法对在该控制条件下的液压机械臂系统进行稳定性分析与证明。第四章,由于液压机械臂的冲击与振动所产生的作用力会损坏其末端的传感器,本文在无力传感器的条件下基于逆动力学的方法求解出其末端接触力的测量值。最后,本章分别在静态力作用下和动态力作用下进行仿真和在试验台上进行分析论证,结果表明该方法能够提供准确、稳定的外力测量值。第五章,由于重载液压机械臂惯量大、阻尼低且多关节耦合,与非结构化环境进行交互过程中极易造成冲击与振动,进而对主从遥操作系统稳定性与透明性造成严重影响。本文中设计了一种基于共享阻抗控制的遥操作控制框架来降低从端液压臂所产生的冲击力,并改善主端的操作感受。对于主端,设计了基于零力控制的主端力反馈控制器,满足从端位置跟踪和力反馈需求。此外,分析了在传输时延条件下主从遥操作系统的稳定性,并给出了主从端相关阻抗参数的选取范围。第六章,对全文进行工作总结和未来展望。