近年来,机器人技术的发展极大地拓宽机器人应用范围。传统的机器人应用场合单一固定,动作简单,已经无法满足新时代的新需求。人们希望下一代机器人具有更高的柔顺性,增强人机协作能力,加深人机交互程度,能够在未知的环境下代替人类完成各种复杂的活动。机器人和人类协同工作的过程中,机器人完全暴露在人类生活的环境中,该环境对于机器人来说是复杂的和未知的,怎么在这种环境下保证人类的安全成为决定未来机器人应用范围的核心问题。其次,下一代机器人如何取代人类,更好地完成各种复杂的动作也是机器人发展必须解决的问题之一。针对上述制约机器人发展的问题,本文设计了一种模块化仿人变刚度关节。该关节中引入柔性元件模仿人类关节特点,可以有效地缓冲载荷,提升机器人安全性。为了实现对关节刚度的调节,本文建立了sEMG信号和人类手臂刚度间的简单映射关系,将中枢神经对刚度的控制策略直接运用到关节刚度的控制中,利用这种方法研究刚度变化对关节输出性能的影响。此外,本文基于关节角度误差设计了一种自适应控制器,实现刚度随关节角度误差的变化做出相应的调整。首先本文对现阶段仿人关节的国内外研究现状进行分析,剖析各种变刚度关节设计原理的优缺点。在此基础上对本文设计的模块仿人化关节的变刚度原理进行建模,并将理论模型转变为具体的机械实物。为了进行相关的实验,需要实现对关节的控制。本文设计了变刚度关节电气硬件系统和底层控制系统,完成相关硬件之间的驱动和搭建数据的传输通道。实现数据从上位机传输到下位机,再转化为关节的动作。在完成机械本体、电气硬件系统和底层控制系统的搭建后,对本文关节的特性进行了实验验证。为了引入人类中枢神经系统对刚度的控制策略,本文提出了三种sEMG信号和人类上肢关节刚度之间的映射关系。利用sEMG信号采集设备采集人类上肢刚度变化过程中的肌电信号,通过映射关系将其转化为变刚度关节的刚度信息,实现中枢神经系统对柔性关节的控制。本文最后设计了几种试验,模仿人类手臂在执行相应动作时刚度变化情况。通过变刚度下的关节动作效果和高中低三种刚度下关节的动作效果对比,验证关节的刚度变化效果和变刚度对动作输出的影响,并验证自适应控制算法效果。