欠驱动控制问题是机器人研究领域中的一个重要分支,欠驱动控制算法可作为应急控制策略以保证系统发生某些特定故障时仍然能正常运行;同时,在某些特定环境下,为使系统更加紧凑灵活,机械系统必须设计为欠驱动状态。欠驱动机器人系统拥有非完整冗余特性,往往不能全状态严密反馈线性化,无法用光滑反馈控制律去实现系统的渐近稳定。因此,对欠驱动机械臂位置控制方法进行研究,具有重要的理论及现实意义,同时也具有广阔的应用前景。本文以平面机械臂为研究对象,开展了基于粒子滤波算法的机械臂故障检测优化方法研究、基于模糊优化的欠驱动机械臂分层滑模控制方法研究、基于模糊和李雅普诺夫函数的平面三自由度欠驱动机械臂分段位置控制方法研究。论文的主要研究工作如下:首先,研究了基于观测器的机械臂故障检测方法。针对故障阈值难以设定的问题,提出了一种基于粒子滤波算法的故障检测优化方法。基于机械臂动力学解析模型设计非线性干扰观测器对机械臂运动状态进行估计,并选取李雅普诺夫函数证明其收敛;然后使用观测器结果对滑模控制器进行补偿,在实现控制目标的同时降低控制过程中的抖振;由于测量干扰的存在,传感器测量的关节角度往往不能反映其实际的状态,因此,利用粒子滤波算法计算机械臂实际关节角到达预期角度的概率,结合干扰观测器的观测曲线动态判定关节故障。其次,研究了AP型平面机械臂位置控制方法。为降低控制效果中的抖振问题,提出了一种基于模糊优化的欠驱动机械臂分层滑模控制方法。首先,对主动关节带动被动关节运动的难易程度进行分析,为基座位置选择提供参考;将非线性耦合动力学模型简化为仿射非线性系统形式,选取两个关节角度作为控制目标;然后设计分层滑模控制器,将每个关节的角度和角速度组成一个子系统,求解两个子系统等效输入,并利用李雅普诺夫反馈函数法构造滑模总切换面,得到机械臂的控制率。最后,为切换鲁棒项添加模糊系数,当远离滑模面时,增大切换项得到较大的收敛速度,在滑模面附近时,减小切换项降低抖振,以此动态优化控制率。实验结果表明,经过模糊优化的控制率可以使机械臂末端稳定在目标位置,并且降低稳态时间。最后,对PA型平面机械臂进行研究。提出了一种基于模糊和李雅普诺夫函数的控制方法,同时引入了分段降阶模型,将此方式扩展到高自由度。首先,建立平面三自由度机械臂的动力学模型,分析其各关节角度、角速度之间的约束特性。其次,基于欠驱动机械臂降阶模型将控制过程分解为两个控制阶段,将机械臂末端与目标位置的差值作为粒子群算法的适应度函数,计算出驱动关节的目标角度。最后,对机械臂进行分段控制。在第一阶段,设计模糊控制器使得第二关节到达目标角度,并且通过李雅普诺夫函数求得第三关节控制律使其保持初始状态,在第二阶段,设计模糊控制器使得第三关节到达目标角度,并通过李雅普诺夫函数求得第二关节控制律使其保持目标角度。可视化仿真结果表明,机械臂可以到达目标位置,并且具有良好的动态性能。