工业机器人伴随着人类提高生产效率,减轻劳动负担的需要而诞生,随着人类生活水平的提高,希望机器人能够走进人们的生活中,给日常的生活和娱乐注入新的元素。然而在机器人进入到日常家庭之前,一直有几个重要的难题横亘在面前,那就是机器人在与人交互过程中存在的安全性、与周围环境的适应性以及工作中能量利用率的问题。关节驱动器是机器人运动得以实现的主要功能部件,是解决上述问题的关键。关于驱动器的设计,目前尚未有一个切实有效的,且适用性强的柔顺驱动器设计方法;生物骨骼肌驱动系统具有诸多优势,本文基于仿生拮抗柔顺驱动的原理分析设计了一种变刚度柔顺关节驱动器,并从驱动器刚度特性的角度对驱动器的安全性等问题进行分析研究,具体工作内容如下:首先,简单介绍了柔顺驱动器概念,对驱动器柔顺功能的实现方法进行了归纳和分类,并对国内外的研究现状进行了概述,列举分析了具有代表性的拮抗变刚度柔顺驱动器模型。其次,基于拮抗变刚度驱动的机理,确立了驱动器的实现方案;进一步分析了驱动器刚度形成原理,在此基础上建立了驱动器刚度的数学模型;基于MATLAB数学分析工具,用变量控制法对影响该驱动器静态刚度特性的影响因素进行了理论分析,并结合设计指标给出样机设计指导参数。再次,根据通过对驱动电机、同步带传动、弹性元件等的设计计算与验算,选定了RX-28等主要部件;依据带传动与张紧装置的相关参数,建立了拮抗驱动器刚度的准确数学模型;在此模型的基础上分析了驱动器的空载静态刚度特性和静载静态刚度特性,得到了驱动器静态下刚度性能。然后,运用拉格朗日法对驱动器进行了动力学分析,得到了系统动力学方程;与此同时,还分别建立了拮抗SEA模型和驱动电机的数学模型;在此基础上,于Simulink中分别建立仿真模型。最后,就拮抗驱动器进行了控制分析,结合PID控制方法,对驱动器的位置控制、刚度控制、位置-刚度解耦控制等策略进行了研究;在Simulink中设计了仿真实验,对上述控制策略下的驱动器动态性能进行研究,结果表明驱动器可有效的跟踪正弦波,具备一定的精度;对外部力矩作用,柔顺驱动器能实现有效的回驱,具备一定的安全性。研制了拮抗变刚度驱动的实验样机,用于后期的实验研究,对理论分析和仿真结果进行验证。