协作机械臂能与人协同完成复杂程度高的工作,可以有效提高工作效率,因此被广泛应用于各个领域中。为了在人机协作过程中充分保证安全,机械臂需要具备感知和响应碰撞的能力,但现有方法大多依靠外部传感器检测碰撞且在响应碰撞后需要手动复位,这不利于降低机械臂成本和提高工作效率。因此,本文重点研究无外部传感器情况下的人机安全交互,主要从协作机械臂模型建立、碰撞检测和安全控制这三个方面进行研究,具体研究内容如下:1.协作机械臂运动学和动力学建模。首先,为了避免对机械臂复杂结构的考虑,依据D-H法建立机械臂的运动学方程;其次,采用解析法求解逆运动学方程,并依据关节转动量最小原则选取最优逆解;然后,结合旋量理论和牛顿-欧拉法推导动力学方程;最后,通过仿真验证运动力与动力学模型的准确性。2.基于滑模广义动量观测器的协作机械臂碰撞检测算法。首先,给出一阶广义动量观测器的设计过程,分析增益矩阵对观测器性能的影响;其次,设计一种基于滑模广义动量的外力矩观测器,并证明观测器可以在固定时间内将观测误差收敛至零;然后,通过仿真对比两观测器,验证本文所提算法的观测性能更优;最后,设计一个对模型不确定性和噪声干扰具有较高鲁棒性的碰撞检测阈值来判断碰撞是否发生。3.基于自适应导纳和滑模控制器的协作机械臂安全控制算法。首先,给出安全控制算法内/外环控制框架的介绍;其次,提出一种基于干扰观测的滑模控制算法用于内环轨迹跟踪,并对控制器的稳态误差界进行分析;然后,提出一种自适应导纳控制算法用于外环轨迹更新,通过设计自适应律调整导纳控制参数,来提高机械臂碰撞响应和恢复的能力;最后,通过仿真验证所提方法的有效性。4.面向二轴协作机械臂的实验研究。首先,给出二轴协作机械臂实验平台软硬件组成和实验步骤的介绍。然后,验证滑模广义动量观测器对有意接触和意外碰撞的检测性能;最后,验证基于自适应导纳和滑模控制器的内/外环安全控制算法在碰撞响应方面的安全性和高效性。