变刚度机械臂是机器人研究领域的重要方向,与刚性机械臂相比,具有更好的适应性和人机交互能力。在非结构化环境中安全地与人进行交互是变刚度机械臂的核心任务之一,这要求变刚度机械臂具有良好的运动性能。本文以具有变刚度关节的七自由度混联机械臂为研究对象,对基于拟人运动特征的逆运动学求解、变刚度关节驱动器的设计与动态控制、变刚度机械臂在拟人运动中的关节刚度配置策略、动力学建模等几个关键方面展开研究,期望能改善变刚度机械臂的运动性能。论文主要研究工作归纳如下:（1）良好的拟人运动性能有利于变刚度机械臂在人机交互环境下与人进行高效、友好的沟通协作。为更好满足人机交互需求,对变刚度机械臂进行了构型设计,并提出了一种基于拟人化臂角法的逆运动学求解算法。在变刚度机械臂的正运动学推导基础上,通过自适应参数化肩关节姿态角,得到了机械臂的逆运动学解析解,提高了被参数化关节姿态角对末端位姿的适应性。冗余机械臂本身具有自运动特性,通过引入“臂角”为辅助参数,建立了变刚度机械臂各关节运动不舒适度的评价函数,并采用粒子群算法实现了对“臂角”的寻优,进而通过解析法得到了具有拟人化特征的逆运动学解。仿真结果表明,该方法使变刚度机械臂在运动中的臂角与人臂的臂角活动范围相吻合,变刚度机械臂的运动具有拟人化特征。（2）变刚度关节具有刚度可调、缓冲性较佳的优点,可以改善机械臂的关节性能。以轻量型协作机械臂为应用对象,设计了一种新型变刚度关节驱动器。由于曲柄滑块机构能够快速调节关节刚度,对称式结构有利于维持关节各部分的受力平衡,因此,基于改变弹簧杆有效力臂长度的方法,采用对称式曲柄滑块机构进行了变刚度关节驱动器的设计及尺度综合。在此基础上,进行了变刚度关节驱动器的关节刚度计算,并建立了动力学模型;采用基于前馈和反馈的改进PID闭环控制方法,分别对随机信号和正弦波信号进行了动态刚度追踪仿真,验证了所提关节刚度控制方法的有效性,为变刚度机械臂在拟人运动中的关节刚度实时控制提供了依据。（3）面对复杂多变的工作环境,合理的关节刚度配置可以改善变刚度机械臂的环境适应性。为保障在人机交互环境下发生意外碰撞时人体的安全性,提出了一种变刚度机械臂在拟人运动中的关节刚度实时配置策略。综合机械臂安全指数和人体疼痛阈值,对变刚度机械臂的运动速度和表面接触刚度进行了优化。根据末端各方向的受力,通过力雅克比矩阵,计算出了变刚度机械臂各关节的力矩。为保持变刚度机械臂的运动稳定性,提出了关节力矩与被动关节偏转角的双曲正切关系模型,对各关节刚度进行了实时合理配置。仿真结果表明,所提算法有效地改善了人机碰撞中人体的安全性。（4）动力学模型是机械臂进行动力学分析和控制的基础。针对变刚度机械臂,进行了动力学建模及相关仿真分析。与串联机械臂相比,冗余混联机械臂的杆件数量较大,增加了动力学计算的复杂度。因此,对变刚度机械臂的杆件进行分类,将转动一致的杆件作为一个杆件处理,有效降低了计算复杂度。分别对不同杆件进行了动能和势能计算,并采用拉格朗日法和虚功原理建立了变刚度机械臂的动力学方程。通过数值算例,将各关节力矩的理论值和在Adams环境下的仿真值对比,验证了变刚度机械臂动力学建模的正确性。