关节作为机器人本体的核心结构部件,不但是机器人完成灵活动作的动力源泉,而且是保证多机之间的柔顺性,人机协作安全性的可控关键结构点。传统的纯刚性机器人关节虽然可以达到很好的位置精度控制要求,但是于多机器人柔顺性不足,人机交互安全性不够。于是,在机器人行业研究领域中,相关学者提出了基于柔顺关节的柔顺臂的解决作业方案。在该方案中,一种可变刚度的关节成为研究重点和研究热点。对于机器人主动变刚度关节来说,其结构特点与被动变刚度关节不同的是,在负载与驱动之间加入了可调刚度的变刚度装置。目前,关于主动变刚度关节研究的关键技术难题主要集中在主动变刚度关节机构复杂原理突破难、主动变刚度关节工程应用安全性不足等方面。本文运用现有成熟的材料和机构技术解决新问题的思路,设计了一种基于片弹簧柔性元件和曲柄滑块刚度调节机构的新型变刚度关节,其优点是不仅具备被动变刚度关节的柔顺性,还可克服被动变刚度关节刚度不可调节的缺点。本文对关节曲柄滑块调刚机构进行建模得到关节刚度与其结构参数的函数关系,仿真结果表明了通过控制调刚机构输入角可实现关节刚度的有效主动调节。在Simulink环境中构建了 PID位置控制框图,通过对系统模拟外界碰撞干扰,系统的柔性响应性能说明了能对外在冲击负载做出有效反映,有利于保护系统的电气系统和本体结构。本文搭建了一个单自由度变刚度关节实验平台,分别就变刚度关节的三个基本功能单元:传递运动、调节刚度和碰撞保护,进行了程序实现的设计。通过对关节刚度不变性与可变性的分析,验证了关节变刚度原理的可行性,表明了主动变刚度关节既具有柔顺性,又可以主动改变其刚度。碰撞保护实验的结果说明了所设计的变刚度关节具有一定的工程应用价值。