众所周知,德国机械在世界上的竞争力有着举足轻重的地位,工业4.0战略的实施,将使其在机械领域的发展得到再一次的提升。与中国制造2025合作对接颇有渊源,工业4.0被定性为智能化时代。其三大主题项目之一的“智能生产”主要涉及到人机互动,智能化生产不仅仅局限于控制方面的智能化提高,也包括从结构设计应用方面分担控制系统的优化难度,两者相辅相成实现其智能化。以往的工业机器人在生产及运作过程中就伴随着与人的协作接触,而由于人类生活水平的提高,服务类机器人也出现在人们的视野之中。然而在其普及应用之前,却存在着几个重要难题,那就是人机交互过程中的安全性、对周围环境的适应性以及能耗的问题。作为机器人运动得以实现的主要功能性模块,驱动器的输出刚度可调是解决以上问题的关键。柔性元件以及柔顺机构的应用在这一方面有着诸多优势,本文基于弹性簧片并结合曲柄滑块双稳态机构,主要从提高人机交互安全性以及减小能耗等方面分析设计了一种变刚度驱动器,并对其刚度特性等方面进行分析研究,完成的主要工作如下:(1)就传统刚性驱动器柔顺性不足而引发的人机交互安全性、未知环境适应性以及能耗等问题,引入了可解决上述问题的变刚度驱动器,并简述其概念。从变刚度的实现原理入手,对国内外现有的变刚度驱动器进行了研究。但不足的是,现有变刚度驱动器仍普遍存在调刚范围小、结构复杂、控制难以及能耗大等问题。(2)确定本文所设计的变刚度驱动器设计指标及要求,基于弹性簧片结合曲柄滑块双稳态机构,确定了驱动器实现变刚度的初步方案,然后通过建立驱动器的数学模型,从理论上分析驱动器静力特性,优化各模块尺寸参数,从而完善了驱动器的结构设计。(3)建立驱动器的动力学模型并用Simulink进行可视化框图仿真分析其力矩、位置跟踪特性。加工制作驱动器变刚度模块的简易样机,进行静载刚度实验、位置阶跃实验、击球实验以及安全碰撞实验等一系列测试。其中静载刚度测试结果验证了驱动器可以实现变刚度特性,但与理论分析结果存在一定的误差;位置阶跃测试结果验证了驱动器具有一定的柔顺特性;击球测试结果表明该变刚度驱动器具有良好的储能特性;安全碰撞测试结果验证了在意外碰撞发生时可以高效便捷的实现刚度自动转换,表明其在工作时具有一定的安全性。该变刚度驱动器设计的实现可以满足最初的设计要求。