服务机器人,特别是护理机器人以老人或病人为直接服务对象,所以其在物理人机交互中的安全性和柔顺性就变得尤为重要。变刚度关节不仅像传统串联弹性驱动器一样具有弹性和缓冲作用,而且能够主动改变机器人关节的刚度大小,进一步提高机器人的柔顺性和安全性,因此成为了护理机器人领域的研究热点。传统变刚度关节往往采用冗余驱动的方案分别控制关节角度和刚度,这不但增加了关节的机构复杂度,使得关节难以小型化和模块化,而且造成了刚度调节电机的功率浪费,这使得变刚度关节很难被用于多自由度的机器人系统当中。因此变刚度关节的模块化设计和控制方法研究变得十分具有挑战性。针对上述变刚度关节存在的问题,本课题提出了一种新型模块化变刚度关节的设计及其主动变刚度控制方法,并制作了关节样机,进行了相关实验研究。针对护理机器人手臂关节的设计要求和传统变刚度关节的功率浪费问题,论文提出了一种利用差速机构的关节设计方案,其基于双向拮抗式变刚度原理,能够同时进行关节动力的输出和关节刚度的调节。本文对变刚度关节进行了详细设计和原理分析,并根据设计和分析结果制造了关节样机,实现了关节的模块化和集成化。根据关节的特殊传动结构进行了准确地动力学建模,并分别基于力源与位置源控制模型进行了动力学仿真,验证了变刚度关节的动力学特性,包括欠驱动特性,被动柔顺性,和低通滤波特性等,并根据样机的控制要求设计了相应的控制系统,包括控制系统硬件的搭建和软件系统的设计和调试。将控制系统与关节样机结合进行了多项实验,验证了关节样机满足设计指标,主要包括关节变刚度范围,刚度调节时间,主被动变刚度行为。通过上位机程序的编制实现了关节的主动刚度调节,碰撞检测以及安全控制等较复杂功能,证明了该变刚度关节的应用价值。