安全性是协作型机器人的关键属性,并已成为当今的研究热点。为保证人机协作过程中的安全,机器人必须能够准确检测外部无意识碰撞并且可以在识别外力作用点位置的同时做出相应的安全反应。目前大部分轻型协作机械臂研究均基于力传感器和高性能的扭矩传感器,这不仅增加了机械臂成本,还提高了复杂程度。本文拟基于广义动量观测器结合动态阈值开展无外力传感器的碰撞检测研究。本文以六自由度机械臂作为研究对象,建立计及外力干扰的柔性关节机械臂动力学模型,设计二阶前馈广义动量观测器模型,然后在该模型中加入摩擦力模型,并利用最小二乘法对关节参数进行优化,在此基础上进行仿真与验证。研究结果表明,本文提出的碰撞检测算法及动态阈值设定可以实现外部碰撞力检测功能,从而促进人机协作安全的发展。主要内容如下:首先,基于六自由度协作型机械臂的动力学建模。分析六自由度机械臂运动学特性,对机械臂建立笛卡尔空间坐标系与关节空间的雅克比矩阵,基于拉格朗日定理建立外力干扰下的简化柔性关节机械臂动力学模型,并对其进行受力分析,为精确识别机械臂受力位置,实现外力判定提供理论支撑。其次,基于优化广义动量的机械臂碰撞检测算法。开展一阶广义动量和二阶广义动量观测器设计,并对多种广义动量观测器碰撞算法进行对比实验,进而以机械臂实验平台数据为基础,运用仿真软件验证改进的二阶观测器的有效性和准确性。再次,基于最小二乘法的机械臂参数优化。通过最小二乘法对电流和力矩输出值、摩擦模型进行参数优化,对静态阈值和动态阈值状态下的观测器输出值进行对比实验,验证动态阈值对碰撞检测的准确性优化,实现外力观测器输出值超过动态阈值机械臂立刻切换到碰停模式的功能。最后,协作型机械臂碰撞检测实验研究。结合系统搭建六自由度协作型机械臂实验平台,利用碰撞算法实现机械臂运行过程中在线数据实时采集,通过开展针对机械臂不同臂杆的接触式实验,得出受力位置和关节之间的影响关系,借助雅克比矩阵映射方法分析各个关节的观测器输出值,实现碰撞检测算法及外力判定对碰撞检测灵敏度的有效性功能。本文以保障人机协作机器人的安全性为立足点,开发无外部力矩传感器的碰撞检测方法,通过编译碰撞检测算法并设定动态阈值,为人机协作安全提供理论支持,为加速下一代协作机器人研究进行有效积累。