为改善肩关节康复机器人的人机交互柔顺性及安全性,同时避免变刚度柔顺驱动器双电机带来的复杂结构。本文提出“小负载,低刚度和大负载,高刚度”的非线性刚度理念。该理念不仅可应用于康复机器人驱动关节设计,而且可扩展至非结构化环境下作业机器人驱动关节设计。本文根据该非线性刚度柔顺驱动器设计理念,提出了根据给定的非线性刚度的力矩位移曲线逆向设计弹性元件的理论方法。通过有限元仿真和实验验证设计结果,并对柔顺驱动器力矩控制和阻抗控制特性进行Simulink仿真分析。本文的主要内容如下:首先,本文提出一种非线性刚度的弹性结构拓扑,由弹性元件和滚子组成。弹性元件由弹性悬臂梁单元和可看作刚性体的接触单元两部分构成。弹性悬臂梁单元对接触单元的作用等效为直线弹簧和扭簧的共同效果。从具有平面轮廓的接触单元及曲面轮廓接触单元研究弹性结构刚度变化本质。其次,通过ANSYS Workbench优化设计弹性悬臂梁单元的尺寸。分析弹性元件的受力情况,利用迭代方法逐点求解接触单元的曲面轮廓。通过有限元分析设计完成的弹性元件,提出构建新的力矩位移曲线实现对仿真结果与期望值误差的补偿。同时,通过实验验证所设计结构的力学性能。最后,根据柔顺驱动器的动力学模型建立力矩控制系统,加入干扰观测器,通过在Simulink中仿真研究力矩控制性能。建立基于力矩控制的阻抗控制系统,仿真研究阻抗控制性能。仿真结果表明建立的力矩控制系统具有较好的跟随效果,阻抗控制系统具有较好的性能。