协作型机械臂可以与人直接交互以完成复杂多变的工作任务,并能提高工作效率,因此其逐渐成为机器人研究领域热点。人机协作过程中要求机械臂要能感知与人的交互力,同时为了保障操作人员安全,机械臂要能检测与环境发生的碰撞,因此协作机器臂的外力感知能力尤为重要。目前大部分研究常使用关节力矩传感器完成对力信息的感知。利用力矩传感器实现对机械臂外部作用力的估计,不仅需要处理好机械臂自身惯性带来负载力矩,还要解决力矩传感器自身的力矩干扰问题和信号噪声问题。为解决自制关节力矩传感器的力矩波动和温度漂移问题,提出了一种力矩波动的硬件补偿方法和温度漂移补偿方法。针对谐波减速器传动过程中因为柔轮变形造成的传感器力矩波动问题,研究了力矩波动的消除办法。针对机械臂在连续运行过程中关节温度升高对力矩传感器性能造成的影响,设计温度补偿模块解决了传感器的温度漂移问题。利用动态标定平台完成了改良后力矩传感器的动态标定。利用基于广义动量的扰动观测算法,完成了机械臂外部力矩的估计。扰动观测器可以快速准确的跟踪机械臂外部力矩。针对机械臂动力学模型中参数不准确引起的观测器残差问题,提出了一种时变阈值算法来包络观测器残差,当观测值超出阈值界限时即判断发生了碰撞。提出了在碰撞检测中的采样信号噪声处理方法,以降低观测器噪声并保留碰撞力原始信息。针对柔顺控制算法常只能与末端力传感器进行人机交互,并且难以在商业化机器人中应用的问题,提出了一种基于位置的柔顺控制算法,包括零力控制算法、阻抗控制算法和阻抗控制力跟踪算法。这三种柔顺控制算法利用了观测器的外力估计值,可以在关节连杆的任意位置上进行柔顺交互。为了测试力矩传感器的性能并验证所提算法的有效性,设计了单关节实验平台,并通过优化的激励轨迹完成了单关节的动力学参数估计。利用力矩传感器采集到的关节力矩,验证了基于广义动量的扰动观测算法的有效性,并进一步完成了机械臂的碰撞检测实验和基于位置的柔顺控制算法实验。