随着科学技术的发展,工业机器人和服务机器人要面对越来越多的人机交互,交互的安全性正在成为关注的热点。传统的机器人为了保证高速和高精度的性能,其机械本体都是以刚性结构为主,致使其末端刚度很大,一旦出现操作失误,将对环境中的其他对象的安全造成威胁。本文设计了一款三自由度柔顺机械臂,通过在传动系统中引入弹簧,实现驱动的柔顺化,利用柔顺控制算法,实现了该三自由度机械臂与环境交互的柔顺性。论文完成的主要工作如下：模仿人体上肢结构,设计了仿人机械臂SoftArm Ⅱ,具有肩部横滚、肩部俯仰和肘部俯仰三个自由度。基于线弹簧设计了旋转SEA驱动模块,将柔顺元件引入机械臂的关节,用于机械臂的关节驱动,实现机械臂的结构柔顺化。建立了三自由度柔顺机械臂的运动学模型,推导了运动学正逆解及雅可比矩阵。基于运动学模型,计算了机械臂的工作空间,进行了直线、平圆轨迹规划。初步提出了基于雅可比矩阵的系统刚度模型,推导了系统刚度与关节刚度的关系,计算并设计了SEA的内部弹簧参数。采用Adams虚拟样机仿真,验证了所提出的系统刚度模型的合理性和有效性。搭建机械臂的控制系统,编程实现了位置跟随控制和基于力反馈的柔顺交互控制,实验结果表明机械臂有良好的位置跟随性能,在结构柔顺和控制柔顺的共同作用下,机械臂末端力具有明显的柔顺特征,能够在遇到障碍物时,根据末端力的信息进行主动避让,提高了其交互安全性。