随着工业自动化进程的快速推进,机器人技术在人类生产方式由人工、机械化迈向自动、智能化的道路上得到了广泛应用。传统的仿人臂通常为高刚性结构设计,具有大质量、高惯量的结构缺陷,限制了仿人臂在非结构化环境下的负载能力与运动性能。模仿人手臂设计的绳驱动仿人臂减轻了机械臂执行环节的重量及惯量,并具备快速响应和高速运动的能力。但由于绳索的柔性及单向受力特性,刚度变化范围受限,无法保证人机交互时的安全性和柔顺性。因此,结合绳驱动技术与变刚度技术,研制一款逼近人手臂性能的变刚度装置,使绳驱动仿人臂关节具备低质量、低惯量和刚度可变的优势,且满足人机交互时柔顺性、灵活性和适应性的需求,是具备科学价值的。本文的主要工作如下:首先,研究了人体骨肌系统的解剖学、运动力学和生物力学特性,通过分析人体骨肌系统的主动张力和被动张力提出了变刚度生物学模型,为之后对生物构型、功能与性能的仿生设计奠定了生物学理论依据。其次,有机结合仿生学设计方法,通过生物系统辨识BSI和工程系统实现ESR搭建了肘关节的仿生构型。以柔顺机构设计理论对正刚度单元和负刚度单元并联组成的仿生变刚度机构数学建模,并分析了两种单元的大挠度变形,提出了基于伪刚体模型的正刚度单元建模方法、基于椭圆积分迭代算法的负刚度单元建模方法以及基于刚度叠加原理的整体刚度建模方法。再次,构建了关节的结构刚度矩阵,并通过MATLAB和ANSYS仿真实验分析了正刚度单元的静力学特征和负刚度单元的非线性屈曲特征,验证了变刚度数学模型的准确性,并提出了影响变刚度性能的关键因素,对仿生变刚度机构的结构参数做了相应优化。最后,搭建了仿生变刚度机构测试平台,通过实体实验测试了仿生变刚度机构的刚度特性,进一步验证了理论模型的准确性。根据实体实验与理论模型的误差分析,对仿生变刚度机构的结构参数和加工工艺做了相应优化,结果表明仿生变刚度机构实现了预期的刚度特性,具有结构轻巧、刚度变化范围大以及线性度好的优势。