变刚度关节由于关节刚度可调,因而相较于传统刚性关节和定刚度关节,具有更快阔的应用前景。同时,也因为需要实现刚度的调整,所以结构也更加复杂,单个关节系统需要两个电机,一个位置电机调节关节位置,一个调刚电机调节关节刚度。变刚度关节的这种特性,对其结构和控制提出了更高要求,因此,变刚度关节的结构及其控制算法研究是一个十分具有挑战性的课题。传统的变刚度关节变刚度原理多为对抗弹簧、弹性材料以及杠杆原理等。其中对抗弹簧耗能较大;弹性材料对材料特性要求较高,且刚度变化范围有限;杠杆原理被采用的最多,但采用改变弹性端或负载端的力臂实现变刚度,其刚度变化范围有限,而改变杠杆支点位置能够实现刚度的大范围变化,从接近于零到接近于完全刚性。采用杠杆原理的变刚度关节结构较为复杂,且存在体积大,质量大,齿轮啮合间隙,滚子槽内滑动摩擦耗能大,滚珠丝杆响应慢等诸多问题。在控制研究上也还不够深入,轨迹跟踪实验不够理想。针对现有变刚度原理应用中所存在的问题,本文提出了一种基于扭簧特性的变刚度原理,其采用双滚子双扭簧结构,滚子与扭簧臂之间为滚动摩擦。具有结构简单,调刚能量损耗小,刚度变化范围大的特点,能够实现从接近于零到接近于完全刚性的刚度变化。采用钢丝绳传动,具有承力大,结构紧凑的特点,同时避免了齿轮啮合传动间隙,以及滚珠丝杆质量大,体积大,响应慢的特点。基于模块化的思想,进行了变刚度关节系统结构的设计,将系统调刚部分,即调刚电机及其传动部分,和输入输出偏差角的测量部分,即绝对磁编码器,都整合进关节内部,使系统结构更加紧凑。针对变刚度关节弹性非线性环节导致系统控制器直接设计比较困难,且易受外界扰动影响的问题,本文提出了基于虚拟力矩分层控制的方法设计PD控制器,并提出了引入扰动补偿器对外界扰动等不确定因素加以补偿。实时地调整命令,进而改善关节输出轴的轨迹跟踪性能,以及动态响应性能。通过对不同刚度、负载、信号的轨迹跟踪实验效果的对比,验证了PD控制器能够实现较好的轨迹跟踪效果,同时也验证了引入的扰动补偿器对轨迹跟踪实验效果有一定的改善作用,且具有较好的适用性。此外,本文通过刚度测量实验验证了基于扭簧特性的变刚度原理的可行性;通过碰撞安全实验验证了变刚度关节系统具有一定的实际应用意义。