有别于传统机械臂，可重构机械臂能够根据任务需要组合成不同构形去完成不同的任务，其模块化的特点使其具有适应性强、成本低、容错性好、稳定性高等特点。现今，可重构机械臂已被广泛应用于危险环境作业、军事、空间探测、工业、医学、娱乐等领域，代替人类去完成很多其无法完成的工作。因此，对可重构机械臂进行研究具有重要的理论价值和实际意义。基于可重构机械臂模块化的思想，当其在自由空间运动时，需要对各关节进行分散轨迹跟踪控制。方法是将原复杂的机械臂动力学系统分解为多个关节子系统，再分别为各个子系统设计控制器，且子系统控制器只需要自身关节的局部信息。所以如何抑制各子系统间的耦合关联作用，就成为了分散控制的关键问题；在应用Lyapunov稳定性理论证明控制系统稳定性时，没有一个构造Lyapunov函数的通用算法。反演控制方法的出现解决了Lyapunov函数缺乏构造的问题，但如何解决其“计算膨胀”问题一直是制约其发展的瓶颈；当各关节期望轨迹出现大的跳变时，可能会出现由状态跳变引起的速度跳变问题（在速度跳变点需要很大的加速度来实现，相应的驱动力或力矩就会很大，这往往会超出电机本身所能达到的最大值），如何解决该问题，关系着实际应用中可重构机械臂是否能平滑的跟踪期望轨迹；可重构机械臂在代替人类完成诸如航天任务、维护核设施等遥操作和危险工作时，其传感器、执行器等部件常会发生不可避免的故障，这些故障如不及时识别和排除，将严重影响可重构机械臂完成任务的质量，甚至导致不可预知的严重后果。为了提高可重构机械臂的作业可靠性，故障辨识及容错控制技术已成为其迫切研究的课题；当可重构机械臂在执行精密装配、抓取、搬运等任务时，除对关节角及末端位置进行控制外，还要求控制其与环境的接触力。由于可重构机械臂各关节没有力矩传感器，这势必会影响反馈控制效果。此外，传统的鲁棒控制要求控制器必须精确实现，这使得控制器自身的鲁棒性较差，所以如何提高控制器自身的鲁棒性成为了影响可重构机械臂实际应用的关键因素。本文主要针对以上问题进行研究。主要研究了可重构机械臂运动学及动力学模型的建立、基于改进PSO的可重构机械臂逆运动学的求解、基于ESO和DSC的反演分散控制、基于生物启发策略的自适应反演快速终端模糊滑模控制、基于迭代学习故障跟踪观测器的可重构机械臂执行器故障主动容错控制、多故障同发的可重构机械臂主动容错控制、基于非线性关节力矩观测器的可重构机械臂双闭环分散力控制以及基于LMI的可重构机械臂非脆弱鲁棒分散力/位置控制等。全文的主要内容包括：1、阐述了课题的研究意义，对可重构机械臂的国内外研究现状及研究的关键问题进行了综述。2、基于旋量理论推导了可重构机械臂正运动学的指数积公式；详细介绍了基于改进PSO的逆运动学求解过程，并给出了验证结果；引入运动螺旋，建立了基于拉格朗日方程的可重构机械臂的动力学模型。3、基于可重构机械臂模块化的思想，将可重构机械臂的每个关节看做为一个子系统，针对可重构机械臂的分散轨迹跟踪控制问题，设计了基于ESO的分散自适应模糊控制器，利用ESO去逼近各子系统间的耦合关联项，并在此基础之上，设计了基于ESO和DSC的反演分散控制器，解决了Lyapunov函数难于构造及反演控制中“计算膨胀”的问题；为解决由状态跳变引起的速度跳变问题，设计了基于生物启发策略的自适应反演快速终端模糊滑模控制器。4、针对各关节子系统发生的执行器故障，将迭代思想融入到故障辨识中，设计故障跟踪观测器以便实时观测故障，并在此基础上设计了基于迭代学习故障跟踪观测器的可重构机械臂执行器故障主动容错控制器。应用模糊系统去估计各子系统中的不确定性及耦合关联项，并自适应的补偿了模糊系统的估计误差，使系统在发生执行器故障时，可重构机械臂的各关节仍能跟踪其期望轨迹；针对各关节多故障同发的情况，提出了基于滑模观测器的故障重构及主动容错控制器设计方法。首先传感器故障通过引入的一个新状态被转化为了执行器故障。在随后设计的滑模观测器中，用宽度及中心可调的模糊神经网络去逼近各关节子系统间的关联项及不确定项，给出了不同执行器及传感器故障的重构律，最后通过用滑模观测器输出代替故障传感器输出实现了故障发生时的主动容错控制。5、在完成抓取、搬运等任务时，可重构机械臂末端势必与环境进行接触（可称为受限可重构机械臂），需要对可重构机械臂的位置和力同时进行控制。考虑到可重构机械臂模块化的特点且现有关节模块无力矩传感器的情况，提出一种基于非线性关节力矩观测器的双闭环分散自适应力控制方法。应用模糊系统估计各子系统间的耦合关联项，通过雅可比矩阵将末端接触力映射到各个关节子系统，并由末端接触力误差及各关节力矩与其观测器间的误差对机械臂各子系统的控制输入形成双闭环调节，达到控制末端接触力的目的并提高其收敛速度和跟踪精度；为提高控制器自身的鲁棒性，基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)方法，设计了可重构机械臂非脆弱鲁棒分散力/位置控制器，使得控制器参数在一定范围内变化时，系统仍能保证稳定并满足H性能指标。最后，对全文的主要研究成果进行总结，并展望了下一步的研究工作。