工业机器人的出现顺应了人类大工业生产的需求从而在各个领域得到了广泛的应用。当前人类社会逐渐进入后工业时代,无论是工业生产还是服务业,都对机器人提出了新的要求。传统的机器人工作在工厂厂房中,进行高效迅速的组装生产活动。但是在当前一些新的需要机器人的应用场景,比如医疗机器人、服务机器人以及高等精度装配机器人,传统的刚性结构的机器人已不能满足这些需求。因此,开发具有安全性、柔顺性等良好的人机交互性能的机器人是未来机器人领域研究的一大热点。而在柔性机器人的开发研究中,串联弹性驱动器(SEA)是研究的一个重要方向。本文基于此提出了一种新型的串联弹性驱动器机构,并从机械结构设计和控制系统搭建等方面进行了介绍,进而利用平台探索了各种控制算法并利用仿真实验进行了验证。论文主要的工作如下:针对当前比较优秀的SEA的机械结构进行分析,总结出SEA的设计原则:交互安全性、精确的力控制性能、能够实现双向驱动、小型化与轻量化、稳定的力矩输出、高效的能量利用以及低惯性原则。各种设计原则各有偏重,在设计时需要根据实际需要进行利弊权衡。本文需要设计一款高性能的柔性驱动器,因此对于驱动器的尺寸、安全性和力控制性能具有较高的要求。基于以上原则,本文提出了一种以线性弹簧作为弹性元件的SEA,在负载和电机之间放置弹性元件,实现外力缓冲与能量存储。以无框力矩电机作为动力源,减少了整体尺寸。滚珠丝杠将电机转矩转化为推力驱动负载。然后以此SEA为基础,设计了一款双关节的柔性机械臂,机械臂主体便是两个SEA,分别固定在两个关节臂上,SEA的丝杠杆通过分别驱动一个曲柄滑块机构实现关节臂的转动。柔性机械臂的建模方法与一般机械臂不同,本文针对所提出SEA的机械结构进行了运动学的建模,推导了各个关节变量之间的联系。对双关节机械臂进行了建模,求解了机械臂的正运动学和逆运动学。对于动力学分析,将SEA简化为弹簧、驱动质量和输出质量三个依次相接的部分,其中弹簧假定与大地固连。外界作用力作用在输出质量上从而依次传递到弹簧上,引起弹簧的压缩与伸长。通过对系统的响应频率进行分析,在某一频率下,系统的响应会发生谐振,导致弹簧力远大于输出力,从而导致系统的不稳定。所以在本设计中选择了弹簧力作为系统的力控制对象。针对控制系统的设计,本文从控制器、驱动器、传感器和系统通信等几个方面进行了性能分析和型号选择。选用DSP芯片TMS320F28335作为主控制器,其性能高、功耗小、处理速度快,能够满足数据处理实时性的要求。通信方式选择CANopen总线通信。一方面CANopen的实现成本低,可移植性高,开发方便;另一方面主控制器就支持此通信方式,极大的方便了开发过程。利用实验的方法对弹簧的刚度和阻尼进行了参数辨识。并且采用多种算法实现驱动器的精准柔顺控制,如PID控制、阻抗控制。利用MATLAB和Adams联合仿真的方法验证了建立的模型和控制方案的可行性和有效性,主要验证了此SEA对于位置和力的追踪的准确性。同时,针对机械臂在实际运行过程中会遇到的障碍和冲击进行了模拟,实验结果证明,本文所设计的SEA对于以上情况有着良好的反应性能,提高了人机交互的安全性。