共融机器人(Coexisting-Cooperative-Cognitive Robots,Tri-Co Robots)是影响世界的颠覆性技术,是新一代机器人的使能技术。作为共融机器人中的典型代表,服务机器人工作在非结构化的工作环境中,面临着复杂动态环境及多种多样的作业任务的挑战。同时,服务机器人需要与人共享空间或与人紧密接触。因此,灵巧作业与安全交互是服务机器人的基本属性。传统的刚性机械臂由于存在工作空间固定、不具有本质安全等问题而难以满足人机共融的需求。近年来,软体柔性臂由于其在安全交互、灵巧作业等方面的优势而逐渐成为了机器人领域的研究热点。然而,软体机器人也存在负载能力弱、控制困难等问题。面向灵巧作业和安全交互等多方面的需求,本文创新性地设计了一种将刚-柔机制相结合的可变形操作臂。其中,操作臂的刚性连杆被替换为由一系列被动球形关节依靠摩擦力相互铰接组成的可变形连杆。一方面,可变形臂可根据不同任务需求相应地改变可变形连杆的形状以获得更加灵巧的工作空间;另一方面,可变形臂可通过选择合适的预紧力获得比软体柔性臂更大的负载能力。基于该可变形臂,本文完成了对可变形连杆的静力学建模,实现了对可变形连杆的负载能力分析,并针对由连杆变形引起的运动学模型参数未知的问题,先后提出了基于末端圆周运动的旋量参数快速标定算法和基于视觉反馈的无参运动学控制框架。本文的主要贡献包括以下几个方面:首先,本文设计了一款由四个主动关节和两个可变形连杆组成的可变形臂,并完成了对可变形连杆的静力学建模,提出了一种简便的静力学模型参数估计方法。基于该模型,本文可准确预测可变形连杆的负载能力,为后续的旋量参数快速标定算法和基于视觉反馈的无参运动学控制方法奠定了基础。其次,对于任意旋转关节,单独转动该关节时,操作臂末端轨迹形成了一个圆弧,且该关节轴垂直于圆弧所在平面并经过圆心。基于该性质,本文提出了基于末端圆周运动的旋量参数快速标定算法,可只通过测量操作臂末端位姿快速获取操作臂的旋量模型参数。该方法简便而易于实施,可适用于具有任意自由度和任意构型的一类串联机械臂。之后,本文提出了基于视觉反馈的无参运动学控制框架,其核心思想是通过视觉反馈观察每个关节各自对末端的影响,直接建立起输入和输出之间的雅克比矩阵,并在运动过程中实时评估雅克比矩阵。在基于视觉反馈的无参运动学控制框架的基础上,本文进一步提出了考虑混合特性的无参位置控制方法,实现了可变形臂的全局自动控制。本文中所指的“无参”均是指不依赖于操作臂的运动学模型参数,因此,该方法可在线适应运动学参数的变化。然后,本文定义了与旋转矩阵群SO(3)一一映射的轴角空间(Axis-angle Space),并提出了一种改进的轴角表示法。以此为基础,本文深入研究了旋转矩阵群中以角距离为度量标准的测地线,有效解决了旋转矩阵的表示法奇异性问题,有助于实现姿态的全局收敛控制,具有较强的理论价值。在基于视觉反馈的无参运动学控制框架的基础上,本文提出了沿着旋转矩阵群中的测地线进行规划和控制的算法,并证明了该算法的全局收敛性,实现了传统方法难以实现的无参姿态控制,具有一定的贡献和价值。最后,本文定义一类末端姿态约束不完整的问题为非完全姿态约束问题。针对该问题提出的理论和方法将有效解决一类广泛存在于打乒乓器、雕刻、弧焊等作业任务中的规划问题,具有广阔的应用前景。针对非完全姿态约束问题,本文提出了旋转矩阵群中的垂线理论。旋转矩阵绕某固定轴旋转形成了旋转矩阵群中的一条曲线,该曲线也是一条测地线。本文定义并解析给出了曲线外一点到该曲线的垂足和垂线,严格证明了末端工具方向与给定目标方向的夹角等于末端的当前姿态到给定曲线的测地线距离。基于该定理,本文将操作臂的姿态控制目标由一个特定的旋转矩阵转变为了一族旋转矩阵,大大增加了寻求到解的可能性,具有较强的理论价值。在基于视觉反馈的无参运动学控制框架的基础上,本文提出了沿垂线进行规划和控制的无参位姿同时控制方法,有效解决了非完全姿态约束问题。本文所提方法具有较强的通用性,不仅适用于具有功能冗余的六自由度及其以上的操作臂,更可适用于不具有功能冗余的四自由度或五自由度操作臂;不仅适用于运动学模型已知的情况,更可适用于模型未知的情况;不仅适用于传统刚性臂、可变形臂,也可适用于软体柔性臂。