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机器人从诞生至今已有50多年历史，已经越来越广泛地被应用到工厂、社区、家庭、医院、酒店、银行等环境中。特别是在工业生产领域中，装配、焊接、搬运等各个环节都有机器人忙碌的身影。新一代机器人在提高生产效率的同时，要求具有安全性，能够在发生危险时及时保护机器人自身和外部环境的安全。并且往往具有简单易用的示教功能，只需用人手把持机器人的“手腕”，直接拖动机器人就能实现轨迹点的记录。而在这些新兴技术背后是近年来随着机械、控制、传感三方面技术的进步，迸发出崭新活力的机器人运动控制与力控制技术这一经典研究课题。 机器人力控制技术常用的传感方式采用六维力/力矩传感器，传感器安装在机器人腕部，通过假设末端执行器为刚性连接，作用在机器人末端的外力可以被计算出来。然而，这种高灵敏度的力/力矩传感器价格比较高，且只能实现机器人末端的力检测而不能对每个连杆和关节实施有效的检测和保护，因而限制了其应用范围。另一种近来兴起的传感方式采用关节转矩传感器，传感器安装在机器人关节处，如果关节转矩为τ，那么末端执行器所受外力可以通过τ=JTF计算得到，其中J为机器人的雅可比矩阵。这种方式对机器人的安全控制是很方便的，但传感器的安装增加了关节的柔性，甚至可能引起振动，加大了建模与控制的难度。 本论文针对当前机器人发展中的难点和热点问题，研究了不使用力传感器的基于电机电流的机器人运动控制和力控制方法，并以工业生产中一种典型的洁净机器人为研究对象进行系统实验。洁净机器人是半导体加工行业中一种在洁净环境下工作的专用机器人，主要实现晶圆在真空腔中的搬运和传输，在搬运晶圆的过程中，如果与周围环境或人发生碰撞将可能损坏晶圆或机器人自身，甚至导致整个生产线的停止，严重影响生产线效率。因此，洁净机器人的安全保护功能对整个系统的可靠性、安全性尤为重要。本课题以国家科技部“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”科技重大专项“硅片集成传输系统研发和示范应用”项目为依托，对洁净机器人的运动控制、安全保护和力控制方法等进行深入研究。 本文通过底层的建模和分析，将伺服控制、机器人学、控制理论三方面技术融合，提出一种新的机器人运动控制和力控制方法，实现机器人高精度运动控制以及阻抗控制、柔顺控制等力控制功能。主要贡献有: (1)针对SCARA结构的洁净机器人，研究了解耦运动学和动力学建模方法，应用关节角度和连杆长度的耦合关系对动力学方程进行简化，降低了动力学模型的复杂度。并应用最小二乘法对系统参数辨识，提高了模型的精度。 (2)针对交流永磁同步电机，建立关节伺服系统模型，并设计伺服控制器，建立电机转矩模型，通过电机电流观测机器人关节转矩，为机器人关节转矩模型和关节转矩观测器的建立打下基础。 (3)建立基于电流的关节转矩观测器和反应转矩观测器。通过分析状态观测器、卡尔曼滤波等不同的力估计方法，设计适用于干扰具有多变性、不确定性和随机性情况下的基于扰动观测器的力估计方法。根据电机系统和机器人系统模型，分别设计关节转矩观测器和反应转矩观测器，观测器的输出用于关节转矩闭环控制、阻抗控制、碰撞保护等。 (4)针对多关节机器人系统模型具有高阶、非线性、强耦合等特点，且模型的精度难以保证，控制结构复杂。提出了一种基于奇异摄动的控制方法，将系统按照时间尺度的不同分为快慢两个子系统，进而按照奇异摄动理论分别给出保证两个子系统稳定的控制规律。通过快慢两个子系统的分解，实现降阶作用，简化系统的控制器设计。 (5)设计了笛卡尔空间基于力的阻抗控制器，并在关节空间实现笛卡尔空间经典阻抗控制问题。采用无源性理论对关节空间基于力的机器人阻抗控制策略进行理论分析，引入一种新的关节转矩反馈实现对电机转子惯量的整定，从物理上对关节转矩反馈进行解释。通过关节转矩反馈，电机动力学与关节转矩反馈所组成的系统是一个无源子系统，同时刚性机器人的动力学也是一个无源子系统，二者构成两个内部反馈连接的两个无源系统，根据无源性定理，两个子系统内部反馈连接所组成的闭环系统也是无源的。通过建立Lyapunov函数证明了系统的稳定性，并且结合LaSalle不变原理得到系统的渐进稳定性。