目前，多连杆机械臂的研究方向之一是在保证控制和操作性能不变(甚至更高)的前提下减轻其重量。这一需求始于对空间机械臂的研究，并扩展到了医用、服务、甚至工业机械臂的研发中。重量减轻的好处是不言而喻的，但势必会带来系统柔性的增加。而系统柔性的增加对控制系统的设计者来说是具有挑战性的。这意味着人们要面对高阶非线性系统的控制问题。本文重点研究柔性关节机械臂的动力学控制问题。提高柔性关节机械臂动态响应的问题折腾了各国控制专家很多年，但所得到的具有实用价值的结果却很有限。同其他研究领域所遇到的问题类似，主要难度在于未知因素太多。本论文旨在理清思路并试图在这一控制问题的研究中能够前进一步。　　众所周知，柔性关节机械臂的动力学可以分解为驱动电机的动力学，关节力矩的动力学和机械臂慢动力学(等价于刚体机械臂动力学)，其最终系统模型是一个五阶非线性系统。事实上，控制理论界对这样一个高阶的，带有不确定性的非线性多输入多输出系统的控制问题始终没有一个满意的答案。特别是要求得到的控制算法不能过于复杂，不能使用过多的传感器，不能损伤动作器等等。本项研究的关键特性之一就是重点解决动力学模型中诸如参数偏差和外部干扰等系统不确定性,从而达到对闭环系统极点的任意配置。就控制性能而言，可以认为系统极点的任意配置是控制系统设计的最高境界，因为它从理论上保证了能使系统的响应任意地快。这一设计宗旨始终贯穿整个研究工作。　　论文首先评价了目前存在的对柔性关节机械臂的各种控制方法,其中包括:基于反馈线性化的状态空间方法，动态反馈线性化方法，奇异摄动及积分流型方法，积分反步法，基于无源系统的控制方法，自适应控制技术，模糊逻辑和神经网络方法，简单PD(或PID)控制，变结构及滑模控制方法。论文作者认为，奇异摄动(主要指积分流型)方法，基于无源系统的控制方法和滑模控制方法是比较有前景的控制方法，因为它们或者引入物理信息或者利用被控系统的物理特性从而得到简单有效的控制结果。论文指出了现代滑模控制理论在柔性关节机械臂控制中的巨大应用潜力。　　在论文的主体部分先探讨了有关永磁同步电机的先进控制方法，其中包括永磁同步电机弱磁运行方式即最大力矩方式算法的详细推导及与传统常功率方式的比较，这使得电机的最大运行速度得以进一步地提高。这一点在空间机器人即柔性关节机械臂的应用中尤为重要。其次，基于积分滑模控制理论提出了一种用于刚体机械臂轨迹跟踪控制的鲁棒控制方法。尽管存在系统不确定性，这种控制方法具有极点配置能力并可用于柔性关节机械臂的外环控制。为了减弱由滑模控制所引起的抖震现象，将积分滑模的概念用于对系统扰动的估计，以此作为扰动补偿器对由于各种原因所引起的综合扰动项进行补偿。论文指出，使用一个低通滤波器并调节其时间常数可以在积分滑模控制法与该系统扰动估计法(后者具有准连续的控制输入)之间进行调节，由此可以兼顾系统鲁棒性和抖震衰减。以上关于永磁同步电机和刚体机械臂控制的研究为处理柔性关节机械臂最内部和最外部的动力学打好基础。　　剩下的问题就是如何处理中间的关节力矩动力学了。论文提出并对比了几种关节力矩的控制方法。其中包括PD控制法，直接滑模控制法及滑模估计器方法。论文证明PD控制法与传统滑模控制中为减弱抖震现象而引入的边界层方法是等价的。但是，由于PD控制法结构过于简单而且粗暴(为跟踪快速变化的参考力矩信号控制器增益要调得很高)，它不适用于对关节力矩的跟踪控制，特别是存在更外部的控制环路时，容易造成整个控制系统的不稳定。所提出的直接滑模控制法同时考虑了交流电机的解耦控制问题并充分利用了定子抽头电压固有的不连续性以解决由滑模控制所引起的抖震问题。其基于李雅普诺夫稳定性理论和三相交流电机物理特性的稳定性证明是本论文的亮点之一。这一方法的突出优点是:力矩控制系统对关节力矩模型中的诸项不确定性都具有鲁棒性。因为它没有内部电流环，因此系统响应也快。第三种关节力矩控制方法即滑模估计器方法实际上是一种自适应方法，即对系统的综合扰动进行估计并加以补偿从而达到极点配置的目的。这一控制方法需要较多的控制器参数但不需要关节力矩信号的二阶导数。关节力矩控制被认定为现代柔性关节机械臂控制的主要特征之一。　　用关节力矩控制取代刚体机械臂控制系统中的电流控制，从而将为刚体机械臂所开发的各种外环控制算法(诸如关节空间和任务空间的位置轨迹跟踪控制及机械阻抗控制等)应用于柔性关节机械臂的控制系统中，是本论文所要努力的方向之一，其好处是显而易见的。这一思路将柔性关节机械臂控制的难点转移到了关节力矩控制系统的设计问题中。事实和经验证明，这一关节力矩控制系统的设计是具有挑战性的。与电机电流的动力学不同，柔性关节机械臂关节力矩的动力学具有更多﹑更快﹑更强的扰动项(而前者只有较慢的感生电动势一项)。　　最后，基于提出的关节力矩控制器比较了三种柔性关节机械臂位置跟踪控制方法。这些方法包括，基于奇异摄动理论的位置控制法，使用扩展正则(Extended-Regular-Form)分块控制概念的位置控制法，基于滑模估计器的级联位置控制法。其中奇异摄动法简单有效，但依赖于系统参数(主要是关节刚度)。扩展正则型法(内环使用直接滑模关节力矩控制)的控制效果最好，但当考虑关节电机的动力学时这一方法需要关节力矩信号的二阶导数。而基于滑模估计器的级联位置控制法不需要力矩信号的二阶导数，但需要较多的控制器参数和内部电流控制环。这些比较研究的结果进一步证实:在控制高阶不确定系统时没有免费的午餐，除非降低对系统带宽的要求(即降低参考输入的频率和幅度)。而解决问题的主要途径应该是引入附加的物理约束或信息。　　就研究工作的方法论而言，论文作者不主张使用大量的数学推演来解决问题，而是着眼于对物理系统的深入理解和充分利用，以求得到的控制算法具有尽量简单的数学形式并具有直观的物理意义和通用性。作为控制系统设计的主要工具本项研究使用了滑模控制理论中的最新结果，如积分滑模控制及相关的系统扰动估计等方法。　　如前所述，对柔性关节机械臂控制进行研究的特殊性在于如何处理关节力矩动力学。然而，实践中的一些限制，诸如关节力矩传感器的非理想因素(噪音、偏置、时延、非线性和其他时变因素)，阻止了关节力矩控制在实际机器人系统中的应用。尽管如此，这并不意味着对柔性关节机械臂控制策略的研究(诸如控制系统的快速性和鲁棒性等)也要停滞不前。本论文正是作者在控制策略的研究方面所进行的尝试。论文中所提出的控制方法通过大量的仿真研究和部分可行的实物实验加以证实。这一面向应用的理论研究可以看作论文作者曾在德国宇航院(DLR, Pfaffenhofen)在实际空间机器人领域10年工作实践的总结和延伸。