相对于刚性机械臂而言,柔性机械臂具有高负载、低能耗、高速度、适于直接驱动等优点。如何将机械臂控制器和机械结构之间的耦合同时加以考虑,这是柔性机械臂研究中有待解决的问题。本文以柔性机械臂为研究对象,在整体优化目标下,建立了包括机械臂结构、传感器、控制器和驱动器等参数的系统集成数学模型,综合考虑柔性机械臂动力学特性与控制策略的作用,优化后的柔性机械臂为变截面梁,所设计的控制器不仅易于实施而且对系统参数的不确定性具有鲁棒性;并以单关节柔性臂的设计为例进行了仿真,结构与控制全局优化设计使系统在获得相同性能的条件下能减少机械臂的质量,从而减少能耗。全文的组织结构为:第一章,综述了柔性机械臂建模与控制的研究现状,分析了机械臂设计过程中结构系统或控制系统进行独立优化设计的不足,并在对相关理论和技术进行归纳的同时,阐述了本论文的研究背景、内容和意义。第二章,针对柔性机械臂,通过基于能量计算的变分法的推导,定义并且建立了柔性机械臂系统。给出了带有边界条件的动力学方程,在此基础上推导了柔性机械臂的模态行列式。第三章,讨论了柔性关节的分段模型,采用有限维数近似法对柔性机械臂进行集成建模,并通过综合机械臂的动力学特性和驱动器模型,推导出可变几何分布梁结构的状态空间方程,同时实例分析了状态空间模型。第四章,研究基于线性二次型调节器的柔性机械臂优化设计方法,提出将机械结构的设计与控制算法的设计有机的结合在一起,以结构优化为外循环,以LQR控制律的优化为内循环,设计了全局自适应优化算法。第五章,在第四章研究内容的基础上推导出广义装置的空间状态模型,为兼顾系统鲁棒性和抑制末端柔性振动性能,将结构形状分布和控制参数同时进行优化,设计了具有稳定闭环的H_∞控制器,减少系统的不确定性和扰动所产生的各种影响。第六章,对第四章和第五章提出的设计方法进行了系统仿真与实验,给出了仿真实验实例并对结果进行了详细分析,并讨论了系统对参数变化和扰动的鲁棒性。第七章,总结了本文的主要研究内容和成果,并给出了今后有待进一步研究的工作与方向。