人机协作工作模式是当下的热议话题,协作机器人已经成为了人们解放双手、提高生产力必不可少的工具。近年来协作机器人迅速普及,机器人示教技术面临更高的时代需求,零力控制是实现机器人直接拖动示教技术的重要方法之一,是目前机器人研究领域的一个重要方向。零力控制的实质在于对机器人关节摩擦力以及连杆机构重力的精确补偿。但是,机器人运行时所产生的关节扭转以及关节中复杂的摩擦特性影响了重力矩以及摩擦力矩的估计精度。因此,本文从协作机器人关节传动机理出发,研究关节刚度特性及其摩擦特性,从而提高零力控制时重力矩与摩擦力矩的补偿精度。本文首先深入研究了机器人关节系统的传动机理,分析了关节系统刚度特性以及摩擦特性与系统结构参数的理论关系。随后搭建机器人关节系统实验平台以进行两种特性的实验建模与研究。针对刚度特性实验中机器人关节系统表现出的迟滞非对称刚度特性,利用分段多项式函数模型对其进行拟合,根据拟合误差随着多项式次数的收敛情况,最终选用两段四次多项式进行了刚度特性的建模。根据关节系统的摩擦特性建立LuGre摩擦模型以估计关节系统中的摩擦力矩,随后在搭建的单关节系统实验平台上进行参数辨识得到模型参数。基于以上对刚度特性以及摩擦特性的建模结果,在已有的零力控制策略基础上提出了一种基于接触力矩助力的零力控制策略。该控制策略实现无连杆侧编码器、无关节力矩传感器下对机器人关节系统的零力控制。基于广义动量观测关节力矩,利用刚度逆模型估算出关节系统连杆侧扭转位移,结合谐波减速器运动传递特性估计连杆侧角度并计算重力矩,进一步利用连杆动力学方程估计接触力矩。在此之上构建一个期望的电机驱动力矩,包含估计的重力矩、摩擦力矩与接触力矩,通过对期望电机驱动力矩的跟踪实现零力控制。随后在实验平台上进行了相同拖动过程的对比实验,实验结果表明所提出的零力控制策略能有效减小直接拖动时所需要的接触力矩大小,有助于提高直接拖动示教的效率,具有实际应用价值。