机器人已经在国防装备、航空航天、核工业等领域得到广泛应用,手腕作为机器人的重要组成部件,决定着末端执行器的姿态,手腕关节结构及控制性能的优劣直接影响手腕的灵活性和定位精度。本文的研究对象为一种液压驱动三自由度球型手腕,其俯仰和侧摆关节由单出杆液压缸驱动,自转关节由液压马达驱动,三个关节运动解耦。运用UG仿真平台对手腕进行了三维建模并进行了运动仿真,验证了手腕关节结构的可行性。基于球型手腕的空间几何结构,对驱动空间和关节空间的映射关系进行了分析;通过关节空间和工作空间的映射关系分析,建立了手腕工作空间和驱动空间的运动学关系,为球型手腕关节转角控制做了准备。液压驱动三自由度球型手腕俯仰和侧摆关节是由伺服阀控制的非对称液压缸进行驱动的,阀控电液伺服系统具有参数不确定和非线性的特性,而且手腕关节在转动过程中可能会受到外部随机干扰。针对存在的以上问题,采用了一种基于干扰观测器的输出反馈控制策略对手腕俯仰和侧摆关节进行转角控制,通过对关节液压驱动系统模型降阶,简化了系统模型并解决了系统非匹配干扰问题,干扰观测器的设计可以对参数不确定性和未知干扰等造成的扰动进行估计,然后基于位移反馈信号进行反步控制器的设计,实现对手腕关节转角的控制。为了更好地解决手腕关节液压驱动系统的参数不确定性和随机干扰造成的复合扰动问题,提出了一种基于扩张状态观测器的反步滑模控制方法对手腕关节转角进行控制,以Brunovsky标准型对手腕关节阀控电液伺服系统进行建模,可以将系统的参数不确定性和随机干扰等造成的扰动整定为一个复合扰动函数,扩张状态观测器可以对手腕关节等效负载的速度、加速度以及复合扰动进行在线估计,接着进行的反步滑模控制器的设计可以增强系统的抗干扰能力。基于以上控制策略,利用AMESim、MATLAB/Simulink和Recur Dyn三个软件对手腕关节转角控制进行联合仿真研究,通过与PID控制器的对比,所提控制方法关节转角跟踪精度较高,鲁棒性较强。针对阀控电液伺服系统存在节流损失较大的问题,结合泵控系统能量利用效率高和阀控系统高动态、高控制精度的特点,采用了一种泵阀联合手腕关节伺服系统对手腕关节转角进行控制。对泵阀联合电液伺服控制系统的结构及原理进行了介绍,基于该控制方法进行联合仿真,对跟踪效果和节能效果进行了分析,达到了在保证关节转角跟踪精度的同时降低系统能耗的目的。本文所研究的液压球型手腕关节伺服控制方法,对于解决液压手腕关节驱动系统参数不确定性和未知干扰等造成的复合扰动问题具有一定的意义,对液压球型手腕末端执行器的姿态控制具有一定的参考价值。