当机器人工作在与人接触的环境时，通常任务多样化且环境不能精确的数学建模，需要机械臂实施安全柔顺的操作。本文的研究目的是针对柔性关节机械臂在人机碰撞环境中出现的问题，研究机械臂的硬件结构、动态补偿、笛卡尔阻抗控制结构以及发生碰撞时的安全操作策略。　　本文采用笛卡尔阻抗控制实现机械臂的柔顺控制，根据阻抗控制的结构要求设计基于PCI-DSP/FPGA-FPGAs的新型硬件结构。该硬件结构包括三部分：将基于FPGA的关节控制器作为底层控制器，集成在每个关节内并行实现所有传感器采集、数据融合和电机伺服控制等操作，它能够保证内环控制具有较高的带宽；将基于PCI总线的DSP/FPGA控制板作为上层控制器，其中的DSP用于实现轨迹规划、运动学和动力学等计算，而FPGA主要处理上下位机通信，使DSP能更加高效的处理复杂算法；设计了基于多点低压差分（M-LVDS）的高速串行总线，实现上下层通信周期为200us的高速通信；在关节内实现电机的场向量控制，在矢量坐标系下实现励磁电源和控制扭矩的解耦控制，提高关节层电机扭矩的相应速度并减小关节扭矩波动。　　针对谐波减速器在传动时具有较大的摩擦将严重影响机械臂动态性能的问题，本文详细分析了柔性关节摩擦的影响系数，建立了具有静摩擦、粘滞摩擦和随负载及电机位置变化的摩擦模型，设计了自适应动态补偿器用于实时前馈补偿该系统存在的摩擦力，并证明了算法的稳定性。同时本文基于阻抗控制和场向量控制，离线辨识了关节刚度和各摩擦系数范围等参数。基于SimMechanic和SimScape的仿真结果和单关节的实验结果均表明自适应笛卡尔阻抗控制器能比传统的固定参数摩擦补偿策略更有效地提高系统的控制精度。　　针对柔性关节仅使用电机状态量控制易引起机械臂抖动的问题，本文提出仅使用电机的位置和关节扭矩设计观测器观测机械臂的全局变量。另外针对传统拉格朗日动力学计算复杂的缺点，本文详细设计了基于虚拟分解的笛卡尔阻抗控制器，将系统的动力学转换为各个子系统的动力学，让所有的控制器都能并行的计算系统动力学，从而减轻了系统计算负担。　　本文重点分析了人机碰撞环境下的位置和力控制要求，阐述了机械臂的安全评判标准，详细设计了仅给定两点位置和速度情况下具有加速度导数连续的离线轨迹规划，确保机械臂在自由空间能够快速平稳的操作；根据笛卡尔阻抗控制的特性，将机械臂设计成一个整体的笛卡尔力传感器，并利用该传感器功能能够像人手一样对固定负载测量、加载和操作；建立具有实时力反馈的轨迹规划，并将传统的力控制转换到期望轨迹中，实现了机械臂在碰撞环境下不中断任务和不改变控制策略的安全柔顺控制。　　本文控制方法均在四自由度模块化机械臂上实现，通过负载测量、力跟踪、轨迹跟踪、阻抗效果演示和人机碰撞等实验验证所提出方法的有效性。