运动仿生学研究表明,在不同运动形式下,动物腿部的刚度和阻尼会进行调节以适应不同的外界环境需求。目前针对足式机器人的设计多数没有考虑腿部刚度和阻尼变化,不能很好适应外部环境变化。如果机器人的腿能像动物腿一样表现出刚度和阻尼调节机制,就能赋予机器人强大的运动调节适应能力。本文受启于动物在运动中表现出的适应性,设计了一种可以独立地调节系统的等效阻尼和等效刚度的柔性关节,其结构紧凑、柔性高、能耗低。该旋转式柔性关节最具创新性的设计是通过两个磁流变液阻尼器和弹簧组的紧凑结构实现可变刚度和可变阻尼的协同作用。首先,本文提出了一种可变刚度和阻尼的数学模型,并建立了该模型动力平衡方程,详细分析了模型的变刚度变阻尼原理,讨论了激励频率、弹簧刚度比、阻尼比等结构参数对系统等效刚度和等效阻尼的影响。其次,基于提出的变刚度变阻尼模型,对柔性关节结构进行综合设计。从力学角度分析了关节结构的工作原理,推导了等效刚度和等效阻尼的力学表达式。利用有限元分析软件Ansys对新型双筒磁流变液阻尼器的磁路进行设计分析。设计了基于短直弹簧的圆周型弹性组件并推导了其等效扭转刚度。然后,根据关节详细的结构设计,加工研制了柔性关节样机。将测试所得的短直弹簧的线性刚度转化为弹性组件的等效扭转刚度。搭建关节样机的性能测试实验平台,完成了关节样机的可变刚度特性和可变阻尼特性的测试和分析,然后将测试数据和理论仿真结果对比分析。把实验数据进行参数拟合,建立等效刚度和等效阻尼与其控制电流的对应关系。最后,搭建了关节样机的缓冲特性实验,模拟机器人在运动过程,足端着地瞬间与环境接触的柔顺特性。实验结果表明,柔性关节相较于刚性连接可以在一定程度上降低机器人与环境的接触力峰值。调节柔性关节的控制电流、控制速度,可以改变机器人在碰撞瞬间的接触力峰值,一定程度上提高机器人的运动适应能力。