传统工业机器人因其体积庞大,示教困难复杂,安全系数低等在许多场景下产生局限性。在3C、医疗和精密制造装配等复杂动态非结构化场景中,机器人与人、机器人与环境的共存对机器人系统提出了新的要求:安全协作,高效共融和友好交互。本文以新型驱控测一体协作机器人系统为研究目标,创新性的将“模块化”思想和“协作共融”特征相结合,分别从关节模块和整臂层面进行控制系统开发。基于运动学及动力学等关键基础技术,对人机交互中必需的高灵敏碰撞检测,柔顺控制及零力拖动关键技术进行理论创新并应用,有效提高机器人协作性及安全性。本文主要研究内容如下:首先,搭建驱控测一体协作机器人及控制系统:研发具有协作特性的轻量紧凑机器人模块,采用驱控测一体化方案,高度集成电流、位置、力矩和温度等传感器,开展多维度感知能力和柔顺控制技术等研究,为搭建协作型机器人系统提供基础单元。以关节模块为基础搭建协作机器人,进行软硬件系统开发。其次,实现协作机器人运动学及动力学建模和参数辨识:以本文所研发协作机器人为基础,构建整臂运动学传递模型,推导并求出正逆解;基于拉格朗日法建立统一机器人动力学模型并完成基于CAD模型的参数辨识;对各关节建立改进的Lu Gre摩擦模型,基于有权重的最小二乘法进行摩擦辨识。再次,研究协作机器人碰撞检测算法:提出一种动力学前馈的二阶广义动量碰撞检测算法。根据驱控测一体关节动力学模型,引入前馈优化因子并设计基于广义动量的外力观测器,结合模型误差及误差频域分布进行分析,建立外力观测阈值进行实时碰撞检测和碰撞信息获取,最后建立碰撞判定函数确定碰撞信息及碰后策略。接着,研究协作机器人柔顺控制及零力控制算法:提出一种基于位置环的变阻抗模型,并结合接触力误差模型构建自适应阻尼项,实现自适应力跟踪算法,并基于劳斯判据验证该算法鲁棒性;建立柔性关节模型,基于此搭建削弱摩擦力矩及惯性力矩的实时重力补偿控制器,提出的重力矩自测法对不同负载下的模型进行重力矩参数实时更新,减少因参数不确定性和复杂性带来的系统不稳定性问题。对各关节构建基于关节传感器实时外力反馈的力闭环控制框架,最后基于无源性理论证明该算法的可靠性。最后,分别搭建单关节实验平台和五轴协作机器人实验平台,针对本文所提出的碰撞检测、柔顺控制、零力控制算法分别进行实验验证,实验结果验证了本文所搭建机器人系统的可行性和所提算法的有效性。