随着协作机器人的应用场景逐渐扩展到医疗康复、航空航天以及3C制造等复杂多变的领域,对机器人性能也提出了新的挑战。除了要求机器人能够实现笛卡尔空间直接拖动示教以外,对灵活性更好的机器人空间共享、空间拖动避障以及高性能的安全碰撞检测功能也展现出巨大需求,上述协作目标的实现,要求机器人在高效的完成大量动力学运算的同时,还需要具有冗余自由度,考虑到当前广泛使用的UR等协作机器人多为六自由度设计,并且其控制系统只对用户开放应用层,无法进行底层编程开发,难以满足当前提出的高实时性协作和避障需求。因此,如何提高协作机器人在复杂应用下的拖动灵活性及安全性成为当前协作机器人发展中的关键问题。基于此,本文在自主设计搭建七自由度轻型机器人控制系统基础上,基于关节力反馈信息,对机器人柔顺拖动和安全性碰撞检测两大关键技术进行深入研究,为协作机器人应对复杂应用场景奠定基础。本文主要包括以下几方面内容:首先,针对当前应用中对协作机器人提出的高实时性需求和自由度不足问题,本文自主研发具有冗余自由度的七轴协作机器人系统,并进行软硬件系统设计实现。采用基于VC进行人机交互控制,GMAS控制器编写底层运动学和动力学控制算法,高速EtherCAT以太网总线通讯的软件控制方案,并完成了选型、设计、装配、调试的整个硬件系统设计与搭建,提高了控制效率,为后续人机交互算法实现提供实验平台。其次,针对机器人关节空间柔顺拖动、灵活避障的应用需求,采用基于位置控制的零力控制算法实现七自由度机器人关节空间和笛卡尔空间拖动。基于设计的机器人构型和参数,完成机器人运动学和动力学建模、分析和参数辨识,为人机交互控制算法提供理论和模型基础,根据机器人关节内集成扭矩传感器的设计特点,采用基于位置控制的的零力控制与导纳控制结合的方法,设计了关节空间和笛卡尔空间拖动控制器,并基于最小加加速度原则通过对比实验得出在机器人正常拖动速度下,当导纳系数值为1/4500时,具有相对较好的拖动柔顺性。再次,为了满足人机协同作业中的安全性需求,采用基于逆动力学的观测外力矩法进行碰撞检测技术研究。该方法基于七自由度机器人动力学模型和关节扭矩传感器反馈信号,实现关节碰撞检测控制器设计,控制器将扭矩传感器采集的实时扭矩值与动力学模型力矩估计值做差得到外部力矩估计值,针对扭矩采集值的噪声带来的误差问题,采用卡尔曼滤波对外部力矩估计值进行滤波,并基于滤波结果进一步得到关节碰撞阈值估计。此外为了降低人机碰撞后的危险,提出三种碰撞停止策略,通过实验对其中一种常见的策略进行碰撞检测和响应停止仿真实验,验证了方法和策略有效性。最后,搭建七自由度机器人算法验证平台,进行关节空间与笛卡尔空间拖动实验,验证控制器设计的有效性,同时进行机器人作业过程中的碰撞检测实验,并加入碰撞停止策略,验证碰撞检测精度和策略的实用性。实验结果表明,本文采用基于位置控制的零力控制方法在机器人关节空间拖动中达到了空间避障目标,笛卡尔空间拖动误差可以保持5mm以内,满足直接拖动示教要求,采用基于逆动力学外力估计的碰撞检测方法将平均碰撞阈值优化到了关节最大扭矩值的5.6%,提升了碰撞检测精度,同时实现了预期碰撞和安全停止效果,具有较大的研究意义。