随着人工智能及机器人技术的发展,人们对机器人的期望不再停留于在工厂替代人力进行重复性劳动,而是希望机器人在医疗、装配、家庭服务等领域进行精细操作,如此便对机器人的性能提出了更高的要求。这种要求除了表现为更高的定位精度,更快的响应速度,还体现在更有保障的安全性能。为提高与人共存的机器人安全性,最主要的手段是为机器人增加力感知能力。针对传统机器人缺乏力感知功能的缺陷,而增加六维力感知成本较高、应用范围受限的问题,本文针对当前机器人系统的缺点,综合应用机电一体化技术,对无力矩传感器的人形机器人的关节力感知方法进行了深入研究,主要研究内容如下:1、高度人形、功能全面的高功率密度机器人系统设计。综合考虑系统功能与外观仿生要求,研究了人形机器人的新构型设计方法。整个机器人系统采用了上身为人形机器人上肢、下身为轮式全向移动平台的设计方法。根据机器人最大负载以及转速要求,采用无偏置非球型腕构型设计了七自由度的机械臂结构。所设计机器人系统具有自主定位导航、目标检测、语音交互、力觉交互等功能,可作为综合性机器人与人工智能研究平台使用。2、无力矩传感器的机器人关节外力矩检测:首先通过差分放大电路采集关节电枢电流,从而计算机器人关节的实际输出力矩;然后通过机器人动力学方程依据其运动状态解算其理论关节力矩;由于机器人建模过程中忽略了大量非线性因素而引入的建模误差,本文采用神经网络方法对模型误差进行补偿。实验结果显示本文所提出的无力矩传感器的外力检测方法可实现低成本的高精度外力检测。3、基于阻抗控制的机器人安全物理人机交互方法:研究了机器人在碰撞响应策略与柔顺控制策略间切换方法,采用反射控制策略实现机器人的碰撞响应策略,采用基于关节外力检测的阻抗控制方法实现柔顺控制策略。实验表明,所设计的机器人碰撞响应策略可以有效检测机器人碰撞的发生,并迅速离开碰撞位置,而机器人的柔顺控制策略则能有效检测人机交互过程中的在人机交互过程中的操作者作用力,顺从操作者的运动意图,实现直接示教等人机交互作业任务。