近些年来,无人机机械臂系统作为无人机技术领域中的研究热点,获得越来越多的关注。无人机机械臂系统极大程度的扩大了机械臂的工作范围,也扩展了无人机的应用领域。本文设计了一套基于小型无人机的多关节机械臂系统,从机载机械臂的系统组成、数学模型、轨迹规划、控制方法展开了深入的研究。本文主要内容概括如下:（1）本文设计的小型无人机多关节机械臂系统主要由涵道无人机、机械臂本体、电池配重机构、无刷直流电机（BLDC）、舵机、传感器和主控器组成。BLDC通过设计的无刷直流电机驱动板进行驱动;主控器为树莓派3B+作为上位机,实现轨迹规划,控制器输出,并实现与驱动电机控制板的通讯。设计了电池配重机构,以补偿机械臂施加于无人机的作用力和力矩。（2）对涵道无人机和多关节机械臂系统进行建模,包括两者各自的运动学、动力学方程以及涵道无人机的气动力学分析。针对组合系统,使用拉格朗日方程建立了本文所研究的涵道无人机平台机械臂系统整体的动力学模型,同时根据求得的模型在MATLAB软件中建立系统仿真模型。（3）针对系统整体的动力学模型,进行自抗扰控制器的设计与仿真。控制器采用扩张状态观测器对系统的内外扰进行估计和补偿,将多变量耦合系统解耦成多个单自由度的二阶串联积分子系统,并对各个控制通道设计误差反馈控制律。（4）面对需要调节的参数太多,难以取得最佳的控制效果,结合自抗扰和滑模控制思想,设计了基于指数趋近律的滑模控制器,通过扩张状态观测器对系统内外扰进行估计并补偿,并对趋近律的参数进行模糊控制,在保证系统快速响应的同时也能抑制系统的抖振现象,提高系统工作性能,同时参数数量的减少也更好地进行工程应用。在MATLAB仿真中对上述控制器的稳定性和准确性以及输出能耗上进行了对比分析,并完成了对机械臂实物的控制器测试。