随着工业4.0的提出和国家智能制造2025发展规划的颁布,我国协作机器人销量复合增速超过了50%,机器人技术被更多地应用于智能生产线、家居生活、医疗、服务、科研教育、援助等人机协作领域,协作机器人成为机器人行业未来发展的重点方向。人机协作场景要求机械臂具有高柔性、安全性、感知力、轻量化、模块化等特性,因而人机协作机械臂的模块化关节通常由结构简单、重量轻、传动比大的谐波减速器和高精度关节力矩传感器构成。谐波减速器利用柔轮变形传递力矩,具有受载变形量大、关节柔性等特点,这类关节处具有柔性的机械臂也称为柔性关节机械臂。因柔性关节复杂的非线性、强耦合动力学特性,影响机械臂控制的平稳性和轨迹跟踪精度,制约了系统性能的提高,所以柔性关节的控制策略是决定机械臂能否向高速、高精度、人机协作方向发展的关键。本文通过对柔性关节动力学分析,搭建考虑关节柔性的动力学模型,推导多信道不确定性柔性关节广义系统流形,并以此系统流形,基于误差状态空间控制框架,对柔性关节机械臂跟踪控制问题展开研究。最终实现柔性关节机械臂跟踪精度提升,稳态误差减小的目标。首先,针对柔性关节存在非线性、不确定性的问题,建立柔性关节动力学模型。分析关节结构组成,确定关节柔性来源;基于磁场定向控制技术搭建永磁同步电机模型;明确传动误差组成要素,确立装配加工误差模型;考虑控制器连续性问题,构建连续非线性摩擦模型;基于柔度模型构建非线性刚度和迟滞模型,搭建关节模组动力学模型。通过辨识实验,获得所需的动力学参数;利用动态面控制方法对所建模型进行控制,仿真结果表明:该方法不能及时补偿柔性关节中存在的非线性和不确定性,跟踪误差存在波动。基于前文所建立的单关节动力学模型,搭建柔性关节机械臂动力学模型。面向柔性关节机械臂,建立合理的坐标系,通过坐标转换,推导齐次变换矩阵,利用解析法获得机械臂逆运动学的8组闭合解,保证机械臂运动学求解过程的实时性和准确性。运用级联系统法,将机械臂整体视为刚性机械臂,局部关节为柔性关节模型。采用拉格朗日方法对机械臂整体进行动力学建模,推导机械臂总动能和势能的表达式,搭建柔性关节机械臂动力学模型。采用Simspace对柔性关节机械臂进行物理建模,连杆端动力学的控制输入为电机与连杆之间由柔性产生的力,验证动力学模型的有效性。面向柔性关节动力学模型,构建柔性关节广义多信道不确定性仿射系统的流形,提出基于降阶扩展状态观测器的反步控制策略。通过误差动力学原理进行状态空间变换,将系统模型转化为Brunovsky形式,系统中的多重不确定性捆绑为一个总扰动效应。利用降阶扩展状态观测器及时估计和补偿多重不确定性的特点,结合李雅普诺夫重设计技术处理匹配不确定性的能力,设计反步控制器。理论上分析降阶扩展状态观测器高精度跟踪的瞬态性能。克服了控制器设计依赖模型精度的问题,较好的抑制了模型误差、外扰和变负载等因素造成的干扰,保证了更高的跟踪精度和更快的响应速度。仿真和实验结果都表明了该控制策略的优越性能。针对前文所建立的广义多信道不确定性仿射系统流形,提出基于最速降线趋近律的滑模策略。为了改善滑模控制器的趋近过程,基于摆线作为最速降线的原理,设计最速降线趋近律,驱使系统状态以最短时间趋近滑模面。采用降阶扩展状态观测器精确估计匹配和不匹配的不确定性,保证了系统的鲁棒性。结合扩展状态观测器设计了滑模控制器,一方面提高了柔性关节的响应速度和跟踪精度,另一方面增强了对扰动、负载变化等不确定性的鲁棒性。仿真和对比实验表明所提出控制策略对柔性关节的控制性能。最后,在柔性关节机械臂上对所提出的控制策略进行实验及应用验证。实验结果与理论分析结果相吻合,基于降阶扩展状态观测器的反步控制对多信道不确定性具有良好的抗扰性,且响应速度快,跟踪误差小;新型最速降线趋近律的趋近时间短,基于最速降线趋近律的滑模控制器具有良好的跟踪性能,提高了机械臂系统的跟踪控制精度和扰动抑制能力。