传统的机器人多为刚性结构,在工作期间需要与外界环境进行隔离。随着科学技术的发展,工业机器人和服务机器人与外界环境之间的交互越来越多,使得机器人与外界环境的安全交互成为重大难题。为保证人与机器人的和谐安全相处,面向人机协作的机器人相继问世,机器人的轻量化和柔顺化成为一个重要的发展趋势。在机器人本体中,机械臂是其与外界环境频繁接触的重要部位,因此机械臂的轻量化和柔顺化设计是实现人机交互安全性的重要途径。本文设计了一款3DOF的轻型柔顺机械臂,通过选用轻质材料和结构优化的方法实现轻量化,引入弹性元件实现柔顺化,利用柔顺控制方案,实现机械臂与外界环境的柔顺安全交互。本文的主要研究内容如下:模仿人体手臂结构和尺寸,设计了一款3DOF的仿人机械臂,基于线性弹簧设计了串联弹性驱动器SEA,实现机械臂关节的柔顺性;通过选用合适材料和零件的结构优化,实现轻量化;并对弹性元件进行设计。对仿人机械臂进行了特性分析:建立了机械臂的运动学模型,计算了运动学的正逆解、雅可比矩阵和工作空间;建立动力学模型,求解了机械臂各关节的等效作用力矩。搭建机械臂的控制系统,完成了对控制系统硬件的选型。利用上位机对驱动舵机的位置PI和速度PI进行了设置,并对压力传感器和MTI位姿传感器进行校正,提出了一种MTI位置修正的方法。模仿太极推平圆运动,规划了机械臂的末端运动轨迹,完成了在末端自由状态下的位置跟随性实验,实验结果表明,机械臂在末端自由状态下具有较好的运动稳定性和位置跟随性,验证了机械臂设计的合理性;设计了基于末端力的主动避障算法,实现了机械臂对任意障碍的柔顺避障实验,结果表明,机械臂能稳定的躲避曲面形障碍,并能较好的恢复到规划轨迹上,验证了机械臂的柔顺性和安全性,证明了本文设计的柔顺机械臂具有与外界环境的柔顺交互能力和适应能力。