随着科技的发展和社会需求的改变,各类产品向个性化、质量优转化;工业生产模式向柔性化、智能化制造转变,在这样的时代背景下,部署简单、灵活易用的协作机器人逐渐成为机器人研发领域的热点。碰撞检测与拖动示教功能体现了协作机器人安全性与协作性的本质特点,成为实现人机自然交互的基本功能。无外部传感器人机交互所带来的低成本高效益,吸引着众多学者投身于无外部传感器的人机交互算法的研究中。为推动无外部传感器碰撞检测和拖动示教的研究进展,本文以机器人双编码器关节为研究对象,以模型辨识、谐波减速器建模为支撑技术,展开面向协作机器人人机交互的双编码器伺服系统研究,提出基于双编码器伺服系统实现及提升无力传感器碰撞检测和拖动示教功能的研究思路。本文的具体研究工作如下:针对现有模型辨识算法的不足,提出一种基于相轨迹曲线拟合的模型辨识算法。利用继电器位置反馈获得实际相轨迹后,该算法结合相轨迹表达式与最优化理论实现对实际相轨迹的曲线拟合,根据相轨迹曲线拟合结果以及代价函数值能够直观、快速的验证辨识结果精度,避免了经典模型辨识算法中最小二乘法要求加速度信息、描述函数法存在近似误差的不足,实验验证结果表明该算法可以高效地实现精确、鲁棒的模型辨识,能够为碰撞检测和拖动示教中补偿器、干扰观测器的设计提供精确的模型参数,为基于双编码伺服系统实现及提升无力传感器的碰撞检测和拖动示教功能奠定了模型参数基础。为实现谐波减速器精确建模,对谐波减速器非线性特征展开研究。将谐波减速器运动学误差建模为由一系列谐波分量叠加而得到的周期性信号,提出一种基于快速傅里叶变换的分析方法,在“阶次域”中对运动学误差进行分析和辨识,通过谐波减速器运动学误差在线补偿实验验证了该分析方法的有效性;对谐波减速器的非线性刚度产生原因进行分析,介绍了三次多项式拟合和分段函数两种谐波减速器变刚度曲线建模方法,并在运动学误差得到补偿的基础上采集数据,针对实际情况中变刚度曲线表现形式,灵活应用建模方法对谐波减速器变刚度曲线进行建模。对谐波减速器的建模及非线性特征分析能够通过谐波减速器传动误差实现对谐波减速器输出转矩的估值,为基于双编码器伺服系统的碰撞检测和拖动示教中实现不受关节摩擦影响的外力矩观测提供了模型基础。在伺服系统模型辨识及谐波减速器建模技术基础上,本文面向协作机器人人机交互展开基于双编码器伺服系统的碰撞检测和拖动示教应用研究。针对无力传感器的碰撞检测因受机器人关节摩擦建模及动力学模型误差影响而灵敏度较低的问题,基于双编码器伺服系统建立机器人关节等效柔性模型,结合谐波减速器模型实现不受关节摩擦模型影响的外力矩观测,提升了无力矩传感器碰撞检测灵敏度;针对无力传感器拖动示教柔顺性受到机器人关节静摩擦不确定性影响的问题,基于双编码器伺服系统提出利用双编码器信号判断拖动示教起动阶段牵引力方向并进行力补偿的方法,使牵引力无需克服最大静摩擦即可拖拽机器人关节运动。仿真及实验结果表明,基于双编码器伺服系统能够实现和提升无力矩传感器的碰撞检测和拖动示教功能。