为了实现以“灵活、柔性、多变”为特征的3C电子、医疗、精密加工等行业生产线的智能制造,具有力反馈能力的协作机械臂应运而生。目前常见的力反馈方式是在机器人末端或关节内安装多种力/力矩传感器,其不仅增加了机器人结构复杂性,同时降低了机器人稳定性。本文基于模块化理念设计了一款具有高负载自重比关节,并以该模块化关节作为研究对象,建立关节动力学模型,分析关节刚度变化,研究基于关节输入输出双位置反馈的关节力矩反馈方法,并将其应用于关节零力控制,实现连接臂杆负载拖动研究。主要研究内容如下:首先,基于模块化理念的协作机械臂关节设计。协作机械臂关节的定位精度和负载能力是关节最重要的两个性能指标,根据机械臂性能要求对关节零部件进行精确选型,基于关节性能要求提出中空嵌套轴关节设计方案,分析方案可行性,建立包含模块化关节的协作机械臂三维模型,优化关节结构,研制关节实验平台。其次,融合谐波传动的模块化关节动力学建模。采用牛顿-欧拉建模方法,建立考虑关节柔性的动力学方程,分析关节刚度变化影响因子,研究谐波传动的扭转、刚度和误差变化特性,进行传动误差仿真,揭示基于谐波传动的关节动力学模型非线性变化规律,建立融合谐波传动的模块化关节动力学模型。再次,基于最小二乘法的关节参数辨识方法。依据关节动力学模型,分别采用Stribeck摩擦模型和谐波传动三段式刚度变化模型对关节阻尼和关节刚度进行独立辨识,验证上述两种模型能够在低速负载情况下近似表征关节摩擦和刚度;基于关节电流和输入输出双位置反馈,采用最小二乘辨识算法对关节动力学模型进行整体离线参数辨识,分析辨识结果,确定考虑库仑和粘滞摩擦时辨识得到的关节刚度更加接近实际关节刚度值。最后,基于力矩反馈的关节零力控制研究。依据关节参数辨识结果,提出利用关节输入输出双位置反馈和关节辨识刚度的力矩估测方法,设置对比实验,结果表明该方法在低速负载下能够以较高精度估测关节力矩;应用力矩估测方法,实现关节力矩反馈,对关节摩擦力和负载臂杆重力矩进行独立补偿,实现力矩模式下关节零力控制。本文立足于保证关节运动精度,实现关节柔顺控制的关键点,研究无力矩传感器的力矩反馈方法,为关节柔顺控制提供理论支持,为加速下一代协作机械臂研究进行有益积累。