近些年,机器人技术发展迅猛,从传统的工业机器人到日常的服务型机器人,其应用已不再局限于工业领域。以如何与人更好的交互协作为目标的人机共融方向成为研究的热点问题。传统的高刚性机器人在遇到紧急突发状况时,无法像人一样去采取应急措施,极易引起重大安全事故。因此,研制柔顺性好、具有像人手臂一样变刚度能力的机器人关节具有重要意义。本文针对课题组提出的变刚度机器人关节模块进行了深入研究,具体开展了以下几方面工作。(1)对国内外各大高校的机器人实验室及研究所提出的变刚度驱动关节模块进行调研,并对其实现变刚度与模块化功能进行分析总结与归纳。(2)以课题组提出的变刚度机器人关节模块为导向,确定该关节模块相关设计指标。结合现有的变刚度关节方案进行对比,找出可以借鉴之处。初步确认设计方案并进行三维建模与仿真分析。深入研究设计中相关的数学模型并结合仿真数据,找出第一代方案中所有可能存在的缺陷及功能性不足之处,针对性提出改进方案,进行迭代。(3)迭代后,确认最终设计方案,针对最新设计方案的机器人关节重新建立刚度模型与力学模型,通过MATLAB对数学模型进行分析,根据特性分析结果与ADAMS仿真数据进行比较,确认建立的相关数学模型正确。然后,根据分析中的接触力情况,将模型导入ANSYS中对整个关节核心受力部件进行强度校核,根据绘制出的应力、应变云图对核心部件优化,保证该关节在预期负载下能正常工作。(4)建立了关节的动力学与位置控制模型。根据该关节采用手动调节变刚度方式的特点,借鉴现有的SEA串联弹性驱动器动力学模型进行研究,并用Simulink搭建了该关节动力学与位置控制模型进行特性分析。(5)根据最终的设计方案,搭建了关节样机,针对关节变刚度特性进行试验,采集到了实验数据,分析样机与理论模型的误差来源,结果表明所设计的关节具有一定的变刚度特性,但变刚度模块的负载能力还需进一步验证,其稳定性和可靠性还需要优化改善。