国内外工业机械臂技术的发展已有数十年历史,但协作型机械臂因其独特的优势近几年也取得了很大的发展。协作型机械臂具备力感知能力,能够感受外界的作用力。不同于传统工业机械臂的栅栏封闭性,协作型机械臂适合一个开放的环境,适合于人机协同工作和装配的柔性生产线。现有协作型机械臂通常采用电机电流来控制关节力矩,实现协作机械臂物理接触的安全性。但其安全性存在不足的问题,尤其负载增大时。本文研究的目的是设计一款具有关节力反馈功能的协作机械臂,提高其安全性。本文在对国内外协作型机械臂进行调研后,设计了一种由一体化关节构成的协作型机械臂。在设计机械臂构型时采用连续三轴平行,满足PIPPER法则,保证机械臂具有逆运动学解。在设计一体化关节时,将力矩传感器、谐波减速器、无框电机、轴承,位置传感器和抱闸布局在同一关节内,使关节具备模块化。通过对每个关节和连杆质量的估算,计算每个关节所承受的静力矩和动态力矩,并以此为依据对减速器和电机进行选型。最后对关节外壳和连杆进行了强度校核,保证设计的可靠性。本文基于固联坐标系后置法,建立了协作型机械臂的DH模型,并以此为基础,推导了机械臂的正向运动学方程。为求得笛卡尔空间到关节空间的解析解,本文采用代数法实现了机械臂的逆运动学算法。在运动规划上,本文采用了基于正弦加减速的方法,并完成了机械臂的空间直线,圆弧和定点轨迹规划。最后在MATLAB中实现了所有运动学算法并完成了仿真。为完成机械臂的运动控制,本文采用了分布式的主从控制架构。主控器根据用户输入的轨迹命令,进行轨迹规划和完成逆运动学解,并将插补得到的六个关节值写入磁盘文件中。关节驱动器利用PID算法实现位置环的闭环控制,使关节在每一个伺服周期内调整到关节给定输入值。主从之间采用CAN总线协议架构进行通讯。本文最后完成了单关节和机械臂整机轨迹运动的实验。单关节轨迹跟踪实验表明关节具备良好的跟踪性能。通过机械臂整机在空间实现三角形轨迹运动的实验,表明了运动学算法和控制系统设计的准确性。本文成功地为实验室搭建了一个协作型机械臂研究平台。