仿人机器人能模拟人类形态和运动特征,并且能代替人类完成很多工作,在服务业、工业等领域均有广泛的应用前景。目前仿人机器人腿部的柔性仍存在不足,导致了机器人运动时存在冲击较大、难以适应各种复杂地形等问题,因此针对机器人腿部柔顺性方面的研究具有重要的意义。首先,通过分析人体腿部的变刚度机理,将变刚度膝关节引入机器人腿中,使机器人下肢具备柔性。然后,分别从能量守恒和力矩相等的角度,建立含有变刚度膝关节的机器腿等效刚度模型,得出腿部等效刚度与膝关节刚度之间的关系,并通过理论计算和ADAMS仿真两方面,验证等效刚度模型的正确性;之后,基于该等效刚度模型,建立机器人足底接触力模型,分析膝关节刚度的改变对机器腿着地时足底接触力的影响。其次,从总体上设计一种含变刚度膝关节的仿人机器腿结构。其中,主要进行仿生变刚度膝关节的设计,采用仿生四连杆机构与变刚度机构:从仿生学的角度,设计膝关节四连杆机构,并验证该机构的合理性;基于变刚度关节杠杆原理,建立变刚度关节的数学模型,并分析刚度的影响参数,进行参数设计,得出关节刚度值,之后进行位置电机与刚度电机的选型。然后,针对含变刚度膝关节的仿人机器腿,进行运动学建模和动力学建模,并进行机器腿的跟随仿真,分析当膝关节刚度不同时的机器人小腿跟随效果。接着,针对含变刚度膝关节的仿人机器腿,设计三种膝关节刚度策略,并基于ADAMS软件进行机器腿行走仿真,得出当膝关节为定刚度、变刚度与刚性时,机器人行走过程中的足底接触力,验证含变刚度膝关节的机器腿可以减小行走时的地面冲击和提高机器人稳定性。同时,对各重要零部件进行了静强度分析。最后,搭建了变刚度膝关节实验平台,进行关节刚度的测试实验和位置跟随实验,并将实验结果与理论刚度进行对比,实验表明本文设计的膝关节可以实现变刚度,以及当刚度较大时关节可以实现较好的位置跟随。