在人们的预期中,机器人可以在日常环境中完成与人类的互动和亲密接触,同时也可以在工业场景中帮助人类进行复杂及体力要求高的工作。这种共存与协作的实现前提是保障人类的安全,及时防止可能发生的意外碰撞,在安全可靠的基础之上,对不可避免或有意的物理接触进行处理,并做出基于感知的运动反应,这也是物理人机交互(pHRI)发展的核心问题。因此,本文针对现有的机器人结构,旨在探究无外部传感器的情况下,实现人机安全物理交互的可能性,主要从碰撞检测、时变阈值、意图检测和外力信息等方面进行了研究与讨论。首先,建立准确的机器人动力学模型是本文研究工作的基础。采用结合了旋量理论的牛顿-欧拉法对动力学方程进行推导,降低传统建模方法的计算复杂程度,提高了快速性与实时性。同时为了实现机器人运动的更准确描述,提出一种利用最小二乘思想的参数辨识方法,对建立的关节非线性摩擦模型进行了准确辨识。之后在验证模型正确的前提下,引入并优化了基于广义动量的扰动观测器,实现外部扰动的跟踪。提出一种基于误差补偿的时变阈值建立方法,改善传统的固定阈值在碰撞过程中的检测精度问题。以上研究旨在确保人机共存时人类的安全性,以此为基础,本文对物理人机协作的内容进行了讨论。首先利用机器人本体特性,以频率来判定人与机器人之间的接触意图,高频代表意外碰撞,低频软接触则代表人的有意行为,机器人会根据人类的预期做出不同的反应,比如直接停止或进入协作模式中,这种对频率的分辨是通过滤波处理的方法实现的。而为了让机器人以最合适的方式进行响应,收集接触或碰撞事件中的物理信息是必不可少的部分。本文利用机器人力域的雅可比矩阵性质,结合扰动观测器输出求解接触力大小和作用位置,同时给出了合理的推导过程。最后,文章中的所有算法及研究结论均在Adams-Simulink仿真平台与六轴机器人实验平台做出了验证,并对实验结果进行了分析与讨论。