面对供应链/物流和制造等领域,需要机器人与操作者协同作业,但是面对越来越多机器人意外事故的发生,安全性已经被放到目前机器人研究的首要方向。当机械臂的末端在期望轨迹上执行跟踪时,障碍物的碰撞识别和位置反馈往往都是通过外置的传感器,但是这不仅增加了机器人的成本和控制系统的复杂性,而且外部传感器在恶劣环境下会受不同程度的干扰,甚至无法完成任务,比如视觉传感器无法正常工作在浓雾、黑暗等能见度低的环境下。因此,本文设计一种基于外力观测器的机械臂避障路径规划算法,以平面冗余三自由度机械臂为讨论对象,建立其相应的运动学和动力学方程,基于动力学理论构建一种外力观测器对机械臂的意外碰撞进行识别,以盲人触觉摸索环境为启发设计了一种试探感知的碰后控制策略,并将其用于改进后的主从任务转化避障算法,这样就能实现在不使用外置的传感器的情况下,机械臂仍能被动躲避意外存在的障碍物,并按期望轨迹到达目标位置。本文的主要内容如下:首先,机械臂的动力学与运动学建模。利用D-H法分析机械臂从基座到末端的正运动学问题,使用代数解法进行推导该机械臂的逆运动学方程,通过雅克比矩阵解决机械臂的速度运动学问题,根据拉格朗日法建立机械臂的动力学平衡方程,进一步推导了平面冗余三自由度机械臂的具体模型参数。其次,基于动力学理论的外力观测器研究。由机械臂关节的期望角度、角速度和角加速度代入动力学模型得到电机驱动扭矩的估计值,与由关节的实际电机驱动电流得到电机驱动扭矩的实际值进行差值运算,从而建立外力观测器的观测值来识别外力。依靠切换式递推平均滤波对实际电机驱动电流进行预处理,且对基于动力学理论的外力观测器设定动态阈值来优化性能。再次,基于试探感知的机械臂避障路径规划。考虑到外力观测器无法有效获得机械臂碰撞的障碍物的精确位置和形状信息,设计一种试探感知的碰后控制策略,当识别到外力存在时,控制系统迅速采用一种类似盲人触觉摸索环境的方式对虚拟障碍物区域进行多次试探性避障,其有效的降低危险或者潜在的危险性。在改进主从任务转化避障算法的基础上设计一种基于试探感知的机械臂避障路径规划。最后,机械臂的碰撞检测与避障路径规划的实验研究。结合相应设备搭建硬件环境和软件环境。对基于外力观测器的碰撞检测与基于试探感知的避障路径规划分别进行了实验。研究结果表明,本文提出的算法可以使机械臂在不借助外置传感器情况下达到避障和轨迹跟踪的效果,保证机械臂在未知多障碍物环境下人与机械臂的安全。