随着“中国制造2025”计划的出台以及“工业4.0”时代的临近,机器人技术得到了迅猛发展和大量应用,智能机器人也越来越多地从各个方面进入人们的生活,与人类共处、协作,我们对机器人的要求也不只是停留在出色地完成各类简单或复杂的任务,更在协作性、安全性上提出了要求。因此,能与人类和平共处、安全交互并能与人协作的机器人应运而生。作为协作机器人的一种,相较于传统刚性关节机器人,柔性关节机器人具有冲击缓冲、力控精度高、可以实现周期运动和爆发运动以及实现拟人化操作等优点。本文以柔性关节为研究对象,以提高柔性关节控制性能为目的,提出一种柔性关节串级控制方法,利用位置外环实现阻抗控制,带高增益的力矩内环实现快驱动,在保证人机交互安全性的同时,提升柔性关节的控制性能,比如响应快速性、交互稳定性等。通过理论推导、仿真分析以及实验验证,本文主要获得了以下研究成果:1.基于串级控制的闭环系统稳定性与无源性分析。本文将柔性关节建模成“质量块—弹簧—质量块”模型,理论推导得出稳定性条件。同时,本文根据无源性定理分析了系统在阻抗控制下的稳定性和无源性,并得出系统无源性条件,为实现机器人与无源环境进行稳定交互提供基础。2.闭环系统虚拟刚度分析。本文对比研究两种不同位置反馈策略下的虚拟刚度,理论推导得到两种反馈策略下的系统虚拟刚度表达式,验证了在极限情况,连杆位置反馈的串级控制策略下,系统虚拟刚度可以超越弹性环节刚度,而电机位置反馈策略下则不能,说明了可以通过控制的方法使柔性关节展现刚性关节性能,使其更加接近生物驱动器,这对于需要较大刚度变化范围的机器人应用来说,连杆位置反馈策略具有更广的适用性。3.实际微分器的影响研究。出于经济型设计原则,通常机器人关节设计中没有速度传感器,在使用PD控制器(或其他需要用到测量量的微分项)时,实际微分器的使用将不可避免,所以本文考虑了实际微分器的影响,分析滤波参数对稳定性边界以及无源性的影响,理论分析发现实际微分器的引入破坏了无源性,本文首先给出闭环系统状态空间描述,引入状态观测器,然后根据Kalman-Yakubovich-Popov引理得出无源性的约束条件,最终给出了数值实例,使闭环系统无源性得以恢复。4.实现柔性关节串级控制策略。实验表明柔性关节在串级控制下展现了良好的阻抗特性,并对比分析了两种不同位置反馈策略下的位置控制性能、跟踪性能以及对负载的适应性,结果表明在连杆位置反馈的串级控制策略下系统具有更好的快速性和稳定性。