机器人在零件的自动装配和机床的自动上下料装夹中具有巨大的应用前景。减速器、伺服电机、传感器等关键零部件的精度会影响机器人的定位精度。当机器人精度不足或工况不稳定时,机器人在装配装夹前的定位会存在位姿误差,而各类误差的存在会引起零件装配或工件装夹的卡阻。为完成装配装夹作业,通过对机器人配置柔顺手腕,采用柔顺控制方法可补偿机器人装配装夹过程中的位姿误差。在柔顺装配装夹作业过程中,手腕根据不同工序的不同刚度要求,在线大范围动态调节刚度。在刚性定位工序中,大的手腕刚度可保证机器人搬运工件定位到作业位置的精度。在装配装夹工序中,小的手腕刚度可柔顺补偿机器人装配装夹工件的位姿误差。本文先提出一种三自由度的变刚度机构并对其变刚度机理和柔顺装配装夹机理展开研究,通过实验验证和理论分析表明该机构能够在空间三自由度满足定位时大刚度需求和装配装夹时小刚度的柔顺需求。在变刚度机构研究的基础之上对大范围变刚度的空间五自由度手腕开展新得研究,该手腕可实现工件的翻转、俯仰、偏转和平移的空间五自由度运动。研究通过调节弹簧弹性张力改变手腕刚度的机理,分析手腕张力和几何参数对其变刚度特性和刚度分布的影响。根据运动学和动力学分析研究变刚度手腕刚性定位与柔顺装配装夹的机理,建立手腕装配装夹过程中的形变位姿模型和补偿工件位姿误差的模型,得到五自由度变刚度手腕变刚度范围和刚度分布。五自由度变刚度手腕实验结果表明翻转关节转角、俯仰关节转角和平面并联机构转角最低分别为0.4°、0.5°和0.3°,手腕的平面并联机构沿X轴、Y轴方向的位移最低分别为0.14 mm和0.18 mm,满足手腕的刚性定位要求。手腕翻转关节转角、俯仰关节转角和平面并联机构转角最大分别为30.2°、34.5°和22.6°,平面并联机构沿X轴、Y轴方向的位移最大分别为10.60 mm和14.20 mm,满足手腕的柔性装配装夹要求。表明机器人手腕可实现大范围变刚度,满足刚性定位与柔顺装配装夹要求。本项目旨在发展手腕变刚度理论与技术以满足柔顺装配装夹作业要求,突破机器人依赖精密关键零部件的技术瓶颈。