随着社会的进步,工业应用的拓展,在机器人、航空航天和交通运输等领域逐渐涌现出一类特殊的机械系统:欠驱动机械系统。与传统的全驱动机械系统不同,此类系统驱动数目少于自由度,其中不仅包含强非线性、强耦合性等因素,还具有驱动缺失、约束非完整等特点,这使得欠驱动机械系统运动控制逐渐成为控制领域极富挑战性的研究热点和难点之一。灵长类仿生机器人的“悬臂运动仿生”研究中,可以抽象出一种特殊的运动控制问题,与一般的平衡点镇定控制、轨迹跟踪控制不同,它只关心目标点的可达性,而不关心具体的实现方式,其最终运动轨迹具有周期的、动态的特点,因此称之为“动态伺服控制”。“动态伺服控制”不仅仅存在于灵长类仿生机器人中,还广泛适用于Acrobot、TORA、垂直平面RRR型欠驱动机械臂等一类欠驱动机械系统中。本论文以Acrobot(双臂式灵长类仿生机器人)为应用对象,以国家自然科学基金项目“灵长类仿生机器人悬臂运动仿生与控制策略研究”为依托,针对一类欠驱动机械系统的动态伺服控制,对其中所涉及到的动态伺服轨迹规划、轨迹跟踪控制等问题开展系统地研究。基于拉格朗日方程建立了一般机械系统和Acrobot的动力学模型,基于该模型,在数学上定义了全驱动机械系统和欠驱动机械系统。根据欠驱动机械系统中所包含的非完整约束以及欠驱动自由度是否受保守力的作用,将其分为一阶非完整欠驱动机械系统、无势二阶非完整欠驱动机械系统和有势二阶非完整欠驱动机械系统,通过对二阶非完整约束欠驱动机械系统的可控性与可接近性的分析,给出了动态伺服控制所适用的一类欠驱动机械系统的特征。由此给出了动态伺服控制的定义,根据动态伺服控制的三类实现方式引申出两个子问题:基本动态伺服控制问题和点到点动态伺服控制问题。通过对保守系统周期运动行为的分析,提出了一种基于能量的动态伺服轨迹规划方法,该方法利用系统驱动自由度和机械能,共同确定出经过目标点的周期轨道;针对基于能量的轨迹规划方法中存在的轨迹单一,无法附加额外条件等缺点,提出了基于虚约束的动态伺服轨迹规划方法,用广义虚约束代替驱动自由度常值约束,利用广义轨道函数代替机械能来确定轨迹,通过对所确定的轨迹进行计算和周期性判断,可以方便设计符合目标的动态伺服轨迹。在此基础上,采用一种直接搜索方法,有效地解决点到点动态伺服轨迹规划问题。针对基于能量和基于虚约束方法所设计的轨迹都是由约束函数和轨道函数确定,可以将轨迹跟踪控制问题变换成为输出镇定控制问题,在此基础上,分别提出基于Lyapunov的轨迹跟踪控制方法,为充分利用有限的控制输入,采用部分反馈线性化方法,通过构造虚拟输入镇定虚约束函数,进而通过轨道函数与虚拟输入之间的关系设计级联控制律,实现虚约束函数与轨道函数共同镇定。仿真实验表明了两种动态伺服控制方法的有效性。针对Acrobot动态伺服控制问题进行了实验研究,搭建了一个基于dSPACE的Acrobot实验平台,分别在平台上开展了基于能量的动态伺服控制实验、基于虚约束的动态伺服控制实验以及鲁棒性实验,实验结果证明了所提动态伺服控制设计方法是有效的。最后,推广了针对Acrobot所提出的基于虚约束的轨迹规划方法与动态伺服控制方法,使之适用于一类具有(n ? 1)个输入的n自由度有势二阶非完整欠驱动系统,针对推广后的控制器复杂性增加的问题,提出了一种简化控制方法并将其应用于TORA和垂直平面RRR型欠驱动机械臂系统中,仿真实验结果表明所提出的动态伺服控制设计过程是准确的,简化控制算法是有效的。