考虑到工业上常用的机械臂特性,目前机械臂不仅需要自身拥有精密的轨迹运动,还需要在此基础上实现更多的接触式任务。机械臂的末端不仅需要按照指定的轨迹运动,还需要让机械臂末端对目标物体实现柔顺抓捕。结合现有条件与工业需求,引进了串联弹性驱动器（Series Elastic Actuator,简称SEA）作为机械臂柔性关节的一部分,可以更好地使得机械臂与环境发生交互作用。本文也将设计一种SEA并且基于这种SEA设计机械臂柔性关节的结构,并对柔性关节进行以下分析工作:设计了一种波纹状弹性元件为关节提供柔性,利用优化分析设计的方法,在考虑加工难度的前提下最终设计出波纹状弹性元件。通过与另外两种SEA进行对比,得出了选择波纹状SEA的优点。由于波纹SEA自身良好的刚度特性,将SEA引入到机械臂的关节内部,并且在Spong简易关节模型的基础上做优化,考虑SEA的阻尼的影响并且引入电气阻尼,这使得柔性关节的动力学模型得到了优化,分析不同的SEA参数会对柔性关节系统产生不同的影响,通过调试选取刚度和阻尼值。之后简化柔性关节的模型,利用ADAMS软件建立柔性关节的虚拟样机,设定好虚拟样机的参数后与Simulink联合起来仿真,采用PID控制器对其进行了力矩控制以及位置控制的仿真与分析。基于PID控制,在其基础上考虑到与环境的接触与交互,引入了阻抗控制器,模拟了在有外界环境干扰下,柔性关节末端位置的输出控制,并且分析各个阻抗参数的变化对关节输出轴位置及接触力的变化的影响。考虑到环境不是一成不变,在闭环PID控制以及阻抗控制的基础上,引入了模糊控制器,之后分别对柔性关节系统进行模糊化、模糊推理、清晰化的处理,仿真分析在加入了模糊控制后柔性关节系统输出的变化,证明通过模糊控制对提高柔性关节输出效果非常有帮助。搭建柔性关节的实验平台,加工三种厚度不同的波纹状弹性元件,分别对三种刚度不同的波纹状弹性元件进行刚度标定实验,与前文弹性元件力学性能分析进行对比,之后分析误差来源。将三种刚度不同的弹性元件分别引入到关节内部,为关节提供柔顺性能,利用柔性关节实验平台进行柔性关节输出轴末端的位置跟随实验,验证所设计的波纹状弹性元件可以实现在本文的设计指标下较为理想的位置控制。之后验证三种刚度不同的弹性元件以及末端负载不同的情况下对输出位置的影响与前文的仿真分析一致。