随着机器人应用场景的多元化,协作机器人因可与人在同一工作空间中进行人机协作操作的特性成为机器人产业的新增长点,在物流仓储、柔性制造与医疗康复等非常规机器人应用领域均有广泛应用前景。市售协作机器人搭载的控制系统仅向用户开放非实时应用层接口函数,难以满足用户为个性化的应用场景定制人机协作控制算法的需求。同时,导纳控制与碰撞检测等高时效性人机协作控制算法的应用要求控制系统具有更高的实时性。因此,当前协作机器人控制系统开放性欠佳和实时性不足成为制约协作机器人大规模应用的瓶颈问题。基于此,本文依托EtherCAT实时工业以太网,基于Xeonmai实时操作系统内核,研发了适用于人机协作应用的开放式实时控制系统,为协作机器人在个性化场景下的应用打下基础。本文主要由以下几方面内容组成:首先,针对协作机器人控制系统的应用需求,对控制系统进行整体架构设计与任务解耦,将控制系统自顶向下划分为运行管理层,人机协作控制层,机器人运动控制层,轴运动控制层与硬件抽象层。并基于Xenomai实时操作系统内核构建控制系统内核,建立基于环形缓冲区与共享缓存的任务间通信机制与基于实时优先级抢占的多任务调度机制,为后续控制任务的实现提供基础。其次,为了实现控制系统对硬件设备的实时控制,将商业EtherCAT主站协议栈集成进控制系统中,基于主站搭载的COE协议设计实现了进程级硬件设备接口任务,驱动接入控制系统的伺服设备与I/O设备。通过在硬件设备接口任务中建立共享内存映象区的方式,实现主站协议栈与上层任务的实时通信。再次,针对人机协作控制的应用需求,基于Eigen数学运算库开发了开放式机器人算法库,包含机器人运动学与动力学的通用解法。在此基础上设计并实现了进程级运动控制任务,实现传统机器人位置控制功能与协作机器人特有的零力拖动示教与碰撞检测功能。最后,以自行开发的七自由度协作机器人为基础搭建协作机器人控制系统功能测试平台,利用搭建的测试平台进行系统平台任务调度延时测试、关节空间零力拖动示教实验与碰撞检测实验,通过对比控制系统下发值与实际反馈的速度误差与位置误差,观测控制系统响应时间,验证机器人控制系统的实时性与人机协作算法的有效性。实验结果表明,控制系统可以在5毫秒的控制周期下实时稳定运行;零力拖动最大速度误差1.18毫米每秒,轨迹复现位置误差0.213毫米,满足零力拖动示教要求;碰撞检测响应时间10毫秒以内,实现预期碰撞检测效果。本文的研究内容在保证协作机器人控制系统实时性的同时提高了系统的开放性,对协作机器人在多场景下的落地应用具有积极意义。