作为协作机器人的驱动源,关节模组是集驱动、传动、通讯、控制为一体的独立单元,能自动完成伺服控制,是协作机器人核心技术差异化的体现之一。关节模组一般建模为电机加齿轮的模型,且由于谐波齿轮中柔轮的存在,以及力矩传感器或额外的弹性元件,存在比较大的柔性,协作机器人关节是一种典型的电机齿轮刚柔耦合系统。协作机器人系统是一个多变量、强耦合、非线性且时变的不确定性系统,研究其底层的电机控制以及谐波传动的动态特性,进而考虑关节柔性及不确定性,对提高协作机器人的整体性能有重要意义。随着各类协作机器人的应用场合越来越广泛,用户对控制性能提出了不同的需求,除了要提高控制精度外,还需要同时降低控制代价,且要兼顾实用性,另外还需要考虑安全性和柔顺接触等。目前协作机器人动力学建模与控制的难点有:1)底层电机的控制策略影响整体系统的性能;2)建模的精确性影响控制效果,需要进行参数辨识来提高模型参数的准确度,另外随着电机运转,温度变化会影响电机参数;3)由于参数摄动、不完全建模、外在扰动等不确定性,控制系统会出现震荡或超调的现象,且跟踪误差较大;4)当处理复杂任务时,如跟踪模型函数复杂的轨迹,控制性能一般显著降低;5)除了要确保系统的跟踪性能,还需结合协作机器人安全性和柔顺接触的特点进行控制设计。针对以上难点,本文首先在电机的电流环实现力矩模式下的动力学控制;然后对模型的主要参数进行参数辨识,设计温度补偿算法来降低参数不确定性;针对关节的柔性,摩擦动态变化引起的参数不确定性,以及外在扰动不确定性导致关节不满足角度约束的这些问题,分别进行鲁棒控制设计;设计伺服约束自适应鲁棒控制来进一步提高系统性能,同时采用模糊集理论进行参数最优设计;最后以六个关节模组构成的6自由度协作机器人为例,验证本文提出的鲁棒控制算法,并进行柔顺应用验证。具体研究内容总结如下:（1）对单关节的电机驱动系统和谐波传动系统这两个子系统展开研究。在底层搭建电机系统的空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）控制策略,并设计高性能的电流环控制器,研究电机力矩波动的建模和抑制方法。对谐波传动系统的齿轮侧隙、回滞误差、柔性和摩擦等动态特性进行分析,为协作机器人系统的建模与控制奠定基础。（2）对单关节和多关节协作机器人系统进行动力学建模与参数辨识的研究。根据是否考虑柔性,分别进行刚性建模和柔性建模。为使模型参数更精确,采用递推最小二乘法、模型参考自适应法和负载转矩前馈补偿法对电机的主要参数进行辨识;考虑温度变化对电机的电感和电阻等参数的影响,设计温度补偿算法,以减小温度变化带来的转矩误差;对摩擦力参数进行辨识,力求能更准确地描述协作机器人系统的摩擦特性。（3）考虑关节的柔性及不确定性进行鲁棒控制设计。该控制器基于协作机器人系统模型,且基于不确定性的最大边界而设计,同时结合了广泛应用的比例-微分（PD）控制,具有结构灵活、工程实用、参数好调的特点。该鲁棒控制器可根据系统模型特征和外界环境等因素,有针对性地调整控制器结构并解决控制问题。具体地,考虑关节柔性,基于反步法在李雅普诺夫第二种方法的基础上,构造鲁棒控制器;考虑关节中广泛存在的不确定性,尤其是摩擦动态变化带来的参数不确定性,基于改进的Stribeck摩擦模型,构造鲁棒控制器;接着,针对所设计的鲁棒控制器中存在控制误差和控制代价的最优权衡,采用模糊集理论来描述统不确定性,应用模糊数学算法和分解定理求解出最优值;考虑外在干扰等不确定性会导致关节的输出角度不满足约束范围,采用状态转换方法将受不等式约束的定义域转换为无约束的定义域,并构造鲁棒控制器。（4）将基于U-K方程的伺服约束自适应鲁棒控制应用于协作机器人系统。考虑到伺服约束控制在处理各种复杂约束方面的优越性,对协作机器人系统设计伺服约束鲁棒控制;并基于模糊集理论进行最优参数设计;然后设计一种泄漏型自适应律综合于鲁棒控制器中,使控制器能够在不确定性超过预期边界时进行自学习。（5）搭建三个实验平台分别进行实验验证,分别包括:永磁同步电机平台,单关节平台,以及六关节协作机器人平台。在电机平台上,烧写控制策略代码以调试实际效果,同时进行参数辨识以提高模型参数精确性;在单关节平台上,进行针对柔性以及不确定性设计的鲁棒控制和伺服约束自适应鲁棒控制的实验验证;在六关节协作机器人平台上,应用本文设计的鲁棒控制算法,验证各个关节的轨迹跟踪性能以及抗干扰能力,然后进行阻抗导纳控制设计,实现协作机器人末端的柔顺应用验证。本文从底层的电机驱动系统开放电流环设计,实现了协作机器人力矩模式下的动力学控制,同时抑制了电机力矩波动的不良影响,为实现高精度的动力学控制奠定了基础;然后考虑关节柔性及不确定性,对单关节和多关节协作机器人系统进行了高精度建模;基于该模型,分别针对关节柔性、摩擦参数的动态变化、外在干扰等提出一种基于系统不确定性最大边界的新型鲁棒控制;为进一步提高控制性能,且应对协作机器人处理复杂任务的场景,基于U-K方程提出伺服约束自适应鲁棒控制;最后,以六关节协作机器人为例,验证了本文所提控制算法同样适用于多关节协作机器人的动力学控制,并进行柔顺应用验证。