进入二十一世纪以来,随着科技的飞速发展和机器人应用环境和性能要求的提高,人类的生产生活中与机器人的接触越来越密切。提高人机交互安全性成为未来机器人设计的首要因素。可调节刚度执行器能够提高人机交互的动态性能,为机器人与人共融提供安全保障。目前的可调节刚度执行器大都以单自由度为主。然而,在仿生机器人应用中,通常需要多自由度可调节刚度执行器来实现机器人的柔顺性、多功能性和灵巧性。本文设计一种基于球腕并联机构,采用弹簧片组并行排列的两自由度可调节刚度执行器,利用单电机控制其刚度调节,分析其可调节刚度原理和执行器机械结构。弹簧片组并行排列设计缩减了关节的质量和体积,实现刚度调节的同步进行。根据弹簧片小挠度的几何非线性建立执行器旋转刚度解析公式。建立球腕并联机构的运动学模型以推导其可调节刚度模型,通过两自由度变刚度执行器模型的刚度分析验证其结果的准确性和有效性。本文的主要的研究内容如下:（1）提出一种可用于仿生腕关节或肩关节的高集成度两自由度可变刚度执行器,基于球腕并联机构产生两自由度正交运动,通过调节均布于球腕内的弹簧片有效长度实现刚度调整,采用单个电机同步改变多个弹簧片有效长度实现两自由度的刚度同步调节。实现了由单个电机驱动的两自由度变刚度单元高集成度设计。（2）基于弹簧片的结构式变刚度原理的变刚度执行器理论研究。根据悬臂梁的曲率、挠度和旋转角分析弹簧片的在小变形时刚度特性。根据悬臂梁原理建立变刚度执行器的刚度特性数学模型,并对其变刚度特性进行理论分析。（3）变刚度执行器联合仿真分析。通过ANSYS和ADAMS对机构式变刚度原理的弹簧片有效长度进行变刚度机构原理的仿真分析和整机的变刚度性能分析。利用SolidWorks软件中的静力学模块对变刚度执行器中的关键零部件进行静力学分析。（4）搭建变刚度执行器实验平台,比较执行器静态和动态刚度辨识实验,检测其静态和动态时刚度调节性能;比较变刚度执行器的位置跟踪实验和位置阶跃实验,检测执行器在工作过程中的性能;比较变刚度执行器的加载和卸载实验,检测变刚度执行器的滞后角度;比较安全碰撞实验,检测与人机交互中的安全性。通过实验数据与理论分析和仿真结构进行对比,验证所提变刚度执行器的可行性和可靠性。