随着技术的发展,机器人越来越多的应用在生活服务、医疗辅助以及外骨骼等人机交互需求高的领域。传统的刚性机器人无法保证物理性交互安全,如何提高人机柔顺交互成为亟需解决的问题。人体关节系统采用肌肉作为柔顺驱动源并具有自适应刚度调节功能,具有高柔顺交互能力。本文基于人体仿生学原理开展机器人柔顺技术研究,设计了一种变刚度柔顺机器人关节,利用表面肌电信号作为人体刚度信息的载体,提出物理性人机柔顺交互控制策略,从机械本体和控制上提高人机交互时的柔顺性。本课题主要研究内容如下:基于人体肘关节的仿生学原理,设计了一种变刚度柔顺机器人关节SoftJoint I,以周向布置的线性弹簧构成旋转SEA柔顺驱动模块,与电机串联实现关节的柔顺驱动;通过前后对称布置的可调弹性带模拟关节肌肉的拮抗作用,调节弹性带长度实现关节刚度的调节;完成了 SoftJoint I样机的工程设计及加工装配。基于静力学分析,推导出关节传动刚度与刚度调节电机主动调节量、关节角位移以及形变角之间的映射关系,建立了柔顺关节的刚度数学模型。设计关节特性测试实验,验证关节的变刚度特性以及关节刚度理论模型的正确性,实验结果表明样机具有较好的刚度响应特性及动态运动性能。提出以肌电信号为表征量的人体关节刚度确定方法,建立人体肘关节刚度模型。采用MYO手环采集sEMG信号,对sEMG信号进行幅值包络和归一化处理,基于人体肌肉活跃水平进行sEMG信号幅值分段映射,将其作为人体关节刚度。搭建人机交互实验平台,实验系统包括SoftJoint I样机、生物采集设备以及控制系统,采用上下位机结合的控制方式,实现关节的运动驱动、刚度调节、人体肌电信号采集、人体关节刚度映射以及人机交互刚度匹配控制策略等功能。根据人体手臂交互特点,提出基于人机关节刚度匹配的柔顺控制策略,在交互过程中,将人体肌电信号映射的人体刚度作为机器人关节期望刚度,实现关节刚度的匹配调节;设计人机协作抬箱子实验,所设计的柔顺机器人关节具有良好的刚度调节效果,基于人体肌电信号的人机关节刚度匹配策略,使机器人能根据作业变化调节关节刚度,实现对环境的适应性,有效提高人机协作的有效性。