故障诊断系统的设计是控制理论和控制实践的一个重要研究方向。机器人系统因其非线性强耦合的特性使其在非线性故障诊断系统的研究中占有重要地位,而机器人的大范围应用也使得对其诊断系统的设计需求更加迫切。本文采用解析冗余的思想,以工业机器人为研究对象,设计了基于模型的机器人关节执行器故障诊断系统,快速准确地完成了执行器故障发生的检测、故障执行器的隔离定位及故障函数的识别。在建立机器人模型的基础上,首先给出了机器人系统的非线性自适应状态观测器,并证明其稳定性及收敛性。然后以该观测器为基础设计了一个故障检测观测器,生成残差用来检测关节执行器故障的发生。如果检测出执行器有故障发生,则激活一组故障隔离观测器。再利用广义残差策略生成一组广义残差集,使每个残差只对一个关节故障不敏感而对其他关节故障都敏感,进而完成故障执行器的隔离及故障函数的识别。针对机器人多关节发生故障的问题,从机器人动力学模型的微分方程形式出发,设计了一种基本形式的故障估计器。然后在放宽关节角加速度可测的限制假设条件下给出了一种改进形式的故障估计器,并分别讨论了执行器发生常值故障与时变故障情况下的多关节同时发生故障的隔离与识别任务。最后在相同的机器人模型上进行了验证分析。