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随着机器人技术的快速发展,机器人不再仅局限于传统的工业生产环境,而是逐渐从封闭作业中解放出来与人共融并协同作业,这意味着机器人的工作环境将变得更加复杂与开放。在机器人结构组成中,关节是重要的组成部件。传统机器人关节缺乏缓冲储能等功能,容易与周围的物体及人发生碰撞,造成不可估计的损失。为了解决非结构环境下人机协作过程中的安全问题,将机器人关节变得柔顺且具有变刚度能力是行之有效的解决途径之一。变刚度执行器作为实现关节柔顺的重要形式,对其进行深入研究有着十分重要的意义。本文的主要研究内容如下:首先,依据结构式板簧悬臂梁变刚度原理,设计出一种全新可变刚度执行器。该执行器通过控制并行板簧舒展形变量的大小,进而改变板簧铰接连杆输出刚度的大小实现可剪切刚度的同步调节。本课题设计的变刚度执行器机构,与以往变刚度关节执行器相比较,不仅降低了对弹性元件的严格要求,而且极大减小了关节的结构尺寸和重量,降低对加工成本的要求,使变刚度执行器面向机器人关节上的通用性能大大加强。其次,基于板簧结构式变刚度原理的理论研究,对悬臂梁曲率、挠度和旋转角等几个参数,进行了在板簧小挠度大变形时的刚度特性分析,建立了变刚度执行器的刚度特性数学模型,得到驱动有效距离与板簧形变量偏转角之间的函数关系,并利用MATLAB软件对其变刚度特性进行拟合验证。最后,利用ADAMS和ANSYS软件搭建了执行器的虚拟样机,对执行器的变刚度特性进行了运动学仿真,并对执行器中的关键部件运用ANSYS进行有限元力学分析。通过对理论数据和仿真结果进行对比,验证变刚度执行器的变刚度范围为2.08Nm/rad-116.32Nm/rad,进一步验证了所设计变刚度执行器的合理性。