近年来,柔性关节轻型臂凭借着高负载/自重比,且功耗低、结构紧凑、操作灵活等优点,在航天航空、反恐排爆、家庭服务等领域得到了广泛应用。柔性关节作为轻型臂重要组成部分,其柔性主要来源于谐波减速器和力矩传感器,直接影响机械臂的整体性能和应用,也能在机械臂发生碰撞时起到缓冲的作用,提高了机构安全性。因此,对单个柔性关节的研究变得尤为重要,本文结合上海市805研究所项目“轻型机械臂的设计与控制”,从机械臂技术指标中分解得出的关节设计指标出发,先对关节的任务和功能需求进行分析,依据关节的设计指标,遵循模块化设计思想、大中心孔走线方式、高度集成等设计理念,开展轻型机械臂柔性关节的相关研究。首先研究了柔性关节机械系统和传感器系统的设计与选型,由柔性关节的设计指标出发,介绍了关节系统的组成,进行了传动系统的选型设计,包括驱动电机、减速装置、制动器、轴承的选择。在传感器系统中,设计了一种新型力矩传感器,包括弹性体结构的设计、三维模型的建立、有限元仿真分析等,得出力矩传感器性能满足设计要求,最后介绍了关节的电气系统,给出了关节的总体结构设计方案。然后,对轻型机械臂柔性关节的控制策略进行理论研究,建立了柔性关节动力学模型;基于FPGA的矢量控制,提出了采用力矩控制方法来获取更好的力/位混合控制效果;完成电机的三闭环矢量控制建模。针对柔性关节的任务需求,建立了电流环、速度环、位置环相应的控制模型,在MATLAB/Simulink仿真环境下,建立SVPWM模型和关节控制模型,并对三闭环控制策略进行仿真分析,验证了该策略能在柔性关节运动控制中达到预期效果。最后,开展了柔性关节力矩传感器的标定实验和关节刚度实验,通过对力矩传感器的几个重要指标分析,得出所设计的力矩传感器符合柔性关节的要求。通过关节刚度实验,分析了关节刚度测量值与设计值存在偏差的原因,为此类关节的设计提供了理论依据。