协作机器人相比于传统机器人在智能化、易用性、安全性和快速布局等方面具有一定优势,尤其适合于柔性制造。协作机器人一体化关节的设计和阻抗控制是确保其轻量化和安全性的关键因素,同时阻抗控制也是协作机器人应用于轴孔装配、接插件装配的关键技术。本文针对以上问题,聚焦于协作机器人一体化关节的机构、传感和控制,提出协作机器人的阻抗控制方法,提高协作机器人的轻量化程度和安全性,实现机器人的柔性控制。首先,本文分析协作机器人和一体化关节的现状,在此基础上提出集成关节驱动器、编码器、电机、减速器和力矩传感器的一体化关节结构构型。提出绝对式磁电编码器的实现方法;提出适用于机器人关节的力矩传感器结构,建立传感器的结构有限元模型,分析力矩传感器静力学特性和线性度,设计力矩传感器信号处理电路;提出关节用伺服驱动器硬件原理,设计驱动器样机。其次,提出基于伪随机序列的磁电编码器原理及编码方法,分析磁电编码器的解码原理和细分原理,设计解码器的软件程序,包括解码器主程序、伪随机解码程序和细分程序模块。在关节驱动器方面,分析直驱电机矢量控制原理并提出适用于关节驱动器的软件架构,包括驱动器主程序、A/D中断程序模块和矢量控制模块等。然后,分析协作机器人的机械臂整体的构型和控制框架。建立关节空间的控制系统模型;辨识关节和连杆参数,包括重量、重心、摩擦力等参数;提出关节空间的阻抗控制方法;基于Matlab/Simulink建立阻抗控制模型,仿真验证阻抗控制算法。建立笛卡尔空间的机械臂控制模型;设计并仿真笛卡尔空间的阻抗控制算法。最后,通过仿真和现场实验验证基于力矩传感器的一体化关节设计和协作机器人阻抗控制算法的可行性。