机器人不再局限于结构化环境下完成传统工业生产,而是逐渐从封闭作业空间中解放出来,进入非结构化环境,与人共融并协同作业。传统的工业机器人高刚度关节具有出色的精准定位和抗干扰能力,但缺乏缓冲和吸能储能功能,若直接用于非结构化环境的协作作业,容易与周围的物体及人接触碰撞,造成机器人本体可能被强烈冲击所破坏,甚至对周围人员造成致命伤害。为了解决非结构环境下的人机协作过程中的安全问题,将机器人关节变得柔顺是行之有效的一种解决途径。因此,开展变刚度关节相关研究具有重要实用价值和意义。相对于主动变刚度关节而言,被动变刚度关节具有独特优势,得到广泛关注。被动变刚度关节最核心的变刚度单元主要有两种形式:1)配备专用刚度调节电机（或者两个等同参数的电机,耦合实现关节驱动和刚度调控）和专用传感器,这种方式增加了关节的复杂性,整体尺寸相对较大;2)不配备专用刚度调节电机,但配备专用传感器提供信息反馈,借助关节驱动电机实现刚度的调节,这种方式控制难度大。目前这两种方式都依赖于传感器和专用控制算法,导致关节响应速度受到带宽约束限制。本文提出一种新型的面向机器人手臂肘关节的无源刚度调节单元,不需配备专用刚度调节电机和任何传感器,用纯机械的方式实现刚度的大范围自适应调节,不需要任何传感器和控制算法,响应速度得到有效保障。本文主要的研究内容如下:（1）刚度自调节单元原理研究。在国内外变刚度关节研究现状和仿生肘关节机理调研基础上,综合出一种面向机器人手臂肘关节的新型无源刚度自调节单元机理。（2）理论基础研究。建立了被动变刚度单元的运动学、静力学及刚度数学模型,开展了参数优化研究,得到了不同条件下关节刚度变化趋势。（3）模型设计及样机研制。在原理研究和参数确定的基础上,建立了被动无源刚度自调节单元的三维虚拟样机模型,开展了仿真分析和优化设计,加工、组装并调试了实物样机。（4）实验研究。搭建了实验平台,开展了实验研究,并分析讨论了实验测试结果,验证了所提出被动无源刚度自调节单元新机理的有效性和理论研究的正确性。