机器人在非结构环境下作业会不可避免地与人或其它事物进行力的接触与碰撞,纯粹的刚性关节驱动存在一定的安全隐患,变刚度柔顺驱动可有效降低人机交互碰撞损伤,不仅在康复医疗领域可以提供更加舒适的状态,还能在仿生领域有效利用变刚度关节致动器柔性元件的储能特性发挥更高的优势。变刚度关节致动器不仅能像传统刚性驱动器一样满足位置需求也能调整系统的输出刚度,在环境适应性方面比传统刚性驱动优势显著。本文针对目前现有的变刚度致动器的调刚范围有限、响应速度较慢、刚调耗能严重以及结构尺寸笨重等不足,提出一种基于类椭圆机构式变片簧有效臂长的变刚度关节致动器并展开了以下研究:首先,根据具体应用情况明确设计指标,确定变片簧有效作用臂长方案进行转动轴线与力作用点的布置,提出多种布置方案,综合调刚范围,力求结构紧凑,选定最有效的变刚度方案,将片簧简化为悬臂梁并建立起力学模型,在小变形条件下进行近似变刚度特性分析,根据技术目标进行柔性元件尺寸优化,以实现更高的设计精度,基于椭圆积分法进行变刚度力学模型大变形分析。其次,根据柔性元件尺寸参数建立三维模型进行整体结构设计和模块化设计,主要包括刚度调整机构、主传动机构和刚度传动机构;完成相关部件的选型,对容易受载变形的关键部件进行了有限元强度校核,针对变刚度关节经常受到冲击载荷的情况,还对输出端进行了瞬态动力学分析。再次,将变刚度输出近似看作瞬态定刚度柔顺驱动,可简化为瞬态弹性系统,并建立其动力学模型,进一步完善控制系统设计。考虑到大变形条件下输出刚度是关节偏转角和有效臂长的二元非线性关系,转动刚度的定义需要微分运算,为确保微分有效,对柔性力矩和输出刚度进行近似拟合,根据已知刚度进行双电机协作轨迹的规划,以及硬件系统的选型与搭建。最终,搭建实验平台,对提出的变刚度关节致动器进行验证性的实验,比如静态刚度辨识、阶跃跟踪性实验以及柔性击球实验等,并对变刚度性能进行客观评价。