柔性变刚度关节能够独立于输出位置改变系统刚度,具有很强的环境适应能力,在建立安全的人机交互、提高能量效率和降低碰撞影响等方面拥有巨大的优势。被动柔性变刚度关节是具有物理可调刚度属性的柔性变刚度关节,通过改变关节内部变刚度弹性元件的结构属性来调节被动柔性变刚度关节的刚度特性,是机器人驱动技术的一个重要研究方向。本文致力于研究一种全新的安全、可控的被动柔性变刚度关节,进行刚度和位置的独立控制,实现对不同环境条件下执行机构精度和安全性需求差异的平衡。主要进行了以下研究:首先,提出了变刚度方案和构型方案并建立了系统力学模型;基于力学模型分析了被动柔性变刚度关节的变刚度特性;根据理论分析结果设计了关节物理样机,并对关键部件进行了有限单元校核。其次,建立了相互独立的刚度调节系统和位置控制系统架构;应用速度/位置双环PI控制器实现刚度系统的半闭环控制,应用粒子群优化算法对控制器参数进行调节,并进行了刚度阶跃跟踪仿真实验;建立了单连杆柔性变刚度关节驱动系统动力学模型,应用滑模方法实现了连杆位置的开环控制,应用鲁棒观测器对系统状态进行了有效观测,并进行了位置正弦跟踪仿真实验;设计了单连杆柔性变刚度关节系统的刚度-速度联动控制律,建立了连杆速度和关节刚度的联动调节机制。接着,结合柔性变刚度关节的控制特性配置了驱动系统硬件,设计了接口电路;结合驱动系统硬件设计了驱动系统上位机,并简要介绍了软件控制系统的各个功能模块。最后,搭建了柔性变刚度关节的实验测试平台,进行了柔性变刚度关节的特性分析实验,对实验数据进行了分析,实验验证了被动柔性变刚度关节的变刚度能力。