以北京中国航天员科研训练中心“水下机械臂研制”之科研课题为背景,结合水下机械臂及各关节的设计要求与设计方案,为了提高机械臂在工作过程中的抗冲击等性能,引入柔性关节作为实现该目标的方式,并将其应用到水下机械臂的各个部位。在实际的研发设计过程中,水下机械臂关节采用了磁耦合方式为关节提供柔性。结合现有条件,引进串联弹性驱动器作为研究水下机械臂柔性关节输出特性及控制方法的柔性元件,本文也将基于串联弹性驱动器,建立柔性关节模型,展开与之相关的以下几方面工作。本文完成了水下机械臂关节及其磁耦合结构的整体方案设计,并在此基础之上引入了串联弹性驱动器。基于串联弹性驱动器,进一步设计了水下机械臂柔性关节,重点对串联弹性驱动器进行了几种方案的设计讨论。利用优化设计的方法,最终确定采用交错梁式盘状串联弹性驱动器作为本文柔性关节的柔性元件。通过对串联弹性驱动器进行刚度分析,并将其刚度特性与磁耦合方案的刚度特性做了简要的对比,得出在一定的转矩范围内,可以用串联弹性驱动器来模拟磁耦合的柔性性能,进而替代磁耦合结构进行水下机械臂柔性关节的输出特性及控制方法研究。基于串联弹性驱动器的定刚度特性,建立了柔性关节动力学模型,并结合Spong学者的假设,在考虑到串联弹性驱动器存在阻尼的情况下,将柔性关节动力学模型中的串联弹性驱动器简化为刚度与阻尼并联的模型,并在柔性关节动力学模型中考虑了电气阻尼等因素的影响。考虑到将柔性关节动力输出源为理想力矩输出源假设比较合理,因此采用PID单位负反馈的方式,建立了基于力源反馈的控制模型,并对其进行了位置控制上的优化。最后进行了力源控制模型传递函数的推算,分析了系统在不同串联弹性驱动器参数下系统的频域特性。结合已有的基于串联弹性驱动器的柔性关节及其控制模型,建立了柔性关节的ADAMS虚拟样机和Simulink控制程序框图,完成了柔性关节的动力学与控制联合仿真。通过仿真的方式,分析了SEA参数对柔性关节输出特性的影响,与上文中控制模型系统频域特性分析呈现同样的规律,验证了仿真分析与理论分析的一致性,以及所研究的控制方法的有效性。最后,通过柔性关节的冲击特性仿真,证明串联弹性驱动器对于改善水下机械臂关节的防冲击性能非常有帮助。基于串联弹性驱动器,结合实验条件,建立了柔性关节的实验装置。进行了串联弹性驱动器的刚度分析实验,与前文的理论刚度特性分析进行了比较,并分析了造成较大误差的来源,主要是由于材料差异及加工误差引起的;限于实验条件,利用柔性关节实验装置,进行了低负载、小角度的输出位置跟随实验,跟随效果较好,并分析了位置跟随误差的来源,整体上验证了基于串联弹性驱动器研究的柔性关节控制方法的有效性。