被动柔顺驱动器因其能量存储、缓冲作用强和安全性等特点广泛应用于人机交互领域,如康复机器人、医疗机器人等。传统的串联弹性驱动器(Series Elastic Actuators,SEAs)通过线性弹簧实现柔顺的人机交互,但弹簧的固定的刚度限制了柔顺驱动器的性能。高刚度的驱动器具有高的控制带宽等动力学性能,但其力矩分辨力、安全性等柔顺性能较差。相反,低刚度的驱动器具有更高的柔顺性能。刚度和负载解耦的可变刚度驱动器(Variable Stiffness Actuators,VSAs)在一定程度上实现了两种性能的平衡,但多数的可变刚度驱动器通过独立的刚度调节机构实现刚度的变化,增加的额外的刚度调节电机增加了驱动器结构的复杂性。在人机交互中,刚度和负载耦合的非线性刚度驱动器既可以实现动力学性能和柔顺性能的权衡,又能简化驱动器的机械结构使驱动器结构更紧凑。本文针对非线性刚度驱动器的刚度的设计和人机交互性能的研究,首先介绍了依据“小负载,低刚度;大负载,高刚度”的交互策略设计的负载选择的非线性刚度驱动器(Load-Dependent Nonlinear Stiffness Actuator,LDNSA)并在此基础上通过不同驱动器的力矩跟踪的仿真和试验研究了非线性刚度驱动器不同负载条件和刚度区间的控制性能的优劣,为柔顺驱动器不同负载条件下的刚度选择提供了指导。然后针对很多柔顺驱动器在控制过程中应用的比例-微分(Proportion-Differentiation,PD)控制器的局限性,提出了基于非线性刚度驱动器刚度的参数自动调节反馈控制器以自适应驱动器变化的刚度,使驱动器在任何刚度条件下都处于最佳的阻尼状态,提高了驱动器的控制带宽和力矩响应平稳性等控制性能。最后,针对目前亟待解决的如何设计柔顺驱动器的刚度使驱动器的控制带宽等动力学性能和力矩分辨力等柔顺性能实现最佳的权衡的问题,本文提出了一种包含控制带宽性能和力矩分辨力性能的量化的综合性能评价指标—感知和响应指标(Perceptivity and Responsiveness Index,PRI)以评价柔顺驱动器的综合的人机交互性能。同时,通过最小化PRI得到了通用的柔顺驱动器最优刚度曲线及其对应的最佳的自动调节参数。而后,通过仿真和试验验证了最优刚度的LDNSA在小负载条件下具有高的力矩分辨力等柔顺性能的同时具有最优的控制带宽性能,在大负载时具有更高的控制带宽性能和较高的力矩分辨力性能,同时,最优刚度的LDNSA在任何负载情况下均能保持最优的综合性能。