随着人类对工业、生活、军事等方面的需求不断多样化,适应复杂力学环境的变构型机构应运而生。回转关节是变构型机构的结构基础,为使其能够更好地适应多变的环境,变刚度关节的研究日趋深入。现有变刚度关节往往存在机构体积庞大、传感系统复杂、承载能力和调刚范围小等缺点,难以适应实际应用要求。为了解决上述问题,本文通过设计合理的变刚度原理机制,开发一种满足高承载、可快速大范围刚度调整、智能自感知等要求的紧凑型一体化关节,建立关节的静力学和动力学模型,实时控制其刚度和运动特性。首先,基于弹性元件变力臂长的调刚原理,提出了一种由板簧-滚子组成的调刚模块,对其布置方式、转动中心位置等进行了设计优选;基于悬臂梁挠曲变形理论,建立了调刚模块的力学模型并划定安全位置空间,分析了刚度随滚子间距、关节相对转角的变化规律以及板簧、滚子的结构设计参数对调刚特性的影响;通过有限元分析方法验证了调刚模块力学模型的准确性。其次,根据调刚模块的基本构型,确定了回转关节的基本结构组成,并分别针对动力输入组件、绳驱变刚驱动组件和动力输出组件进行了详细的设计计算;结合有限元分析方法设计了一种应变式扭矩传感器,对其输入输出特性进行了初步分析;对主传动轴、滚子等关键传力构件进行了静载分析,验证结构强度和刚度满足实际需求。然后,基于调刚模块的力学模型和变刚驱动组件的力传递关系,建立了回转关节的静力学模型,分析了关节的柔性变形及储能特性、调刚速度及分辨率等特性;建立了关节的动力学模型,通过最小二乘辨识算法对关节系统的物理量进行参数辨识;建立了基于电机角度解算的刚度调节方法和基于遗传算法的位置环非线性PID控制方法,为控制系统搭建奠定理论基础。最后,组装了回转关节的性能测试平台,搭建了测试硬件系统,开发了上位机调试软件;对应变式扭矩传感器进行了标定试验,并通过最小二乘法进行了线性度校正;对关节进行静态加载测试,检验了关节的承载能力和调刚范围;通过动力学参数辨识试验,得到系统的阻尼、惯量,并验证了正弦和阶跃输入下关节位置控制方法的有效性。