欠驱动机械臂,是一种独立输入数目少于自由度数目的机械系统,其具有质量轻、能耗低、结构紧凑等优点。该系统是一种非完整约束系统,无法直接控制非驱动关节,一般的光滑反馈控制方法不适用,其控制问题相比于一般机械臂要更加困难。在执行操作任务中,欠驱动机械臂末端执行器能否精确、稳定地到达目标位置,很大程度依赖于机械臂的位置控制方法。此外,在空间环境等特殊应用场合,机械臂某个驱动电机失效而又无法更换的情况下,作为应急使用方案,可将其处理成欠驱动机械臂,采用欠驱动控制方法继续完成任务。因此,研究欠驱动机械臂的位置及轨迹跟踪控制方法,保证机械臂满足特定操作任务的需求,具有重要的理论价值和广阔的应用前景。以第一关节为被动关节的平面三自由度(PAA型)机械臂为研究对象,本文开展了其位置控制及轨迹跟踪方法研究,论文的主要研究工作如下:首先,研究了 PAA型欠驱动机械臂位置控制方法。针对优化算法求解机械臂逆运动学易陷入局部最优的问题,提出了一种基于模拟退火法和人工鱼群法的改进粒子群算法。在粒子搜索过程中引入了模拟退火算法Metropolis准则和人工鱼群算法拥挤度的概念,增加了粒子多样性,提高了随机搜索能力,降低了算法陷入局部最优的概率。针对PAA型机械臂位置控制问题,提出了一种基于滑模控制和李雅普诺夫函数的两阶段混合切换控制方法。在每个控制阶段,根据Lyapunov函数推导控制律使主动关节的角度不变,同时建立滑动面,并选择幂函数作为趋近律,使另一主动关节收敛到目标角度。当旋转关节收敛到目标角度时,切换到下阶段。实验结果表明所提方法兼顾滑模控制法的快速性以及李雅普诺夫直接法的稳定性,实现了快速且无超调的位置控制。其次,研究了 PAA型欠驱动机械臂轨迹规划方法。为保证欠驱动机械臂轨迹的平稳,提出了动力学可操作度的概念,分析了动力学可操作度对关节间耦合作用、关节力矩的影响。然后,根据被动关节与主动关节的耦合关系,采用双向法规划从初始位置、终止位置到中间位置的轨迹。将动力学可操作度作为优化指标,优化了中间位置,将规划的两条轨迹在中间位置实现了无自由摆动的轨迹拼接,保证机械臂运行过程中关节角度、角速度和力矩变化平滑,提高运行平稳性。最后,针对重复操作任务,结合动力学可操作度分析了基座位置对机械臂性能的影响,优化了基座位置,提高了机械臂运行的可靠性。最后,研究了 PAA型欠驱动机械臂轨迹跟踪方法。针对PAA型欠驱动机械臂轨迹跟踪控制问题,基于分层滑模变结构控制法设计控制器,将系统分为具有非线性耦合的子系统,并将控制输入分配层次,低层次上的控制输入控制当前子系统,高层次的输入即控制子系统又保证总系统的稳定性,通过递归的方式设计控制律。将第一、二关节视为第一个子系统,设计控制律,仅通过第二关节力矩使第一个子系统达到稳定;将第三关节视为第二个子系统,设计第三关节力矩,使第二个子系统和总系统保持稳定,最终实现了 PAA型机械臂的轨迹跟踪控制。