在机器人与环境对象接触作业中,刚度调节的快速响应对提高作业的安全性和柔顺性具有重要意义。变刚度关节由于其刚度的可调性和固有的物理柔顺性,得到学者们广泛关注。当前已有的变刚度关节设计方案,仅从电机控制角度实现刚度的快速调节,但该种方式在加减速较大时会对电机增加额外负担,甚至会对电机及减速器造成损害。本文基于杠杆原理,设计可同时调节杠杆支点和弹簧的位置的变刚度关节,保证刚度调节机构的紧凑性,实现刚度快速调节,降低对电机的负担。本文围绕变刚度关节设计及其柔顺控制,重点开展了变刚度关节方案创新设计、变刚度关节动力学参数辨识与外力估计、抗外力突变的自适应柔顺控制以及考虑最小加加速度的柔顺控制等方面关键技术研究。全文的理论及研究内容主要包括以下几个方面:针对现有变刚度关节刚度调节范围有限及刚度调节规律单一的问题,提出一种可同时调节杠杆支点和弹簧的位置的变刚度关节设计方案,实现刚度的按需设计和大范围快速调节,提高刚度调节敏捷性。采用凸轮滚子机构驱动支点和弹簧位置的移动,保证了结构的紧凑性;通过设计凸轮槽参数,可使得刚度调节规律按需设计。在刚度调节速率方面,通过与其他两类基于杠杆原理的设计方案进行仿真对比,阐明所提出设计方案在刚度调节方面的敏捷性。对变刚度关节进行动力学建模,在此基础上,对关节间隙敏感性进行分析。搭建关节样机,对其进行刚度测量实验和运动轨迹跟踪实验,对其运动性能和外力估计性能进行分析。针对传统方法中非线性摩擦难以辨识、动态刚度下外力估计误差大的问题,提出关节统一动力学模型建模方法,实现了非线性摩擦下动力学参数辨识,通过电流和弹性变形相融合的外力估计,提高了准静态和动态刚度下的关节外力估计精度。为获取较为准确的电机电流与输出力矩之间的关系,对关节进行动力学建模与参数辨识,以提高基于电流信息的外力估计效果。提出一种改进的摩擦力模型,该模型可避免速度方向改变时的数值突变,基于该摩擦模型,分别针对位置传动模块和刚度调节模块建立包含电机、减速器及传动部件的统一动力学模型。与传统动力学模型不同的是,本文将电机、减速器及传动部件单独进行动力学建模并整合为一个统一动力学模型,该模型能够体现电机、减速器及其他传动部件的摩擦信息,进一步提高辨识效果。通过动力学参数辨识实验,验证所提出的建模方法对提高基于电流的外力估计精度方面的有效性。在此基础上,建立基于电流和弹性变形相融合的表达式,基于导纳控制器,并对所提出的外力估计方法进行相关实验并验证了有效性。针对运动模式转换时交互力突变引起的关节抖动问题,提出一种抗外力突变的自适应柔顺控制方法,通过位置和刚度的融合控制,可实现交互力在突变前后关节运动的平稳过渡,并提高了交互安全性。基于改进李雅普诺夫屏障函数,将刚度控制分为三个区域,即恒刚度区域、刚度降低区域和刚度增加区域,通过设计刚度调节控制器,使刚度处于恒刚度区域,在提高交互安全性的同时,保证最大外力矩处于合适范围,避免检测力矩饱和输出。以交互力最小为目标函数,得出交互运动模式下关节的期望运动轨迹,基于加权因子,设计自适应柔顺控制器,使关节能够实现自主运动和交互运动两种模式之间的光滑转换。引入阻抗控制器,进一步提高交互运动中的柔顺性。针对交互力不确定性下加速度波动的问题,提出一种考虑最小加加速度的柔顺控制方法,在交互阶段以交互力和加加速度同时最小为目标函数,进行运动轨迹在线规划,从而提高运动轨迹的光滑性。将最小交互力和最小加加速度分别建立性能评价函数,并得出实现性能评价函数最优的条件。将运动轨迹分为两个不同的阶段,即交互阶段和回复阶段,前者由多个分段5次多项式曲线组成,后者由一个5次多项式曲线组成,可保证运动轨迹在两个不同阶段实现最小加加速度的目标。提出针对交互阶段各分段曲线参数自适应调整算法,实现关节主动跟随交互力运动。设计自适应阻抗控制器,用于解决动力学参数模型存在误差的问题,并基于李雅普诺夫定理证明该控制系统的稳定性。最后,建立了基于变刚度关节的柔顺控制实验系统平台,开展面向人机交互的柔顺控制实验,验证了抗外力突变的自适应柔顺控制、考虑最小加加速度的柔顺控制等方法。开展抗外力突变的自适应柔顺控制实验,通过交互运动实验验证刚度区域控制算法和期望运动轨迹估计算法的有效性,通过两种模式转换的柔顺运动控制实验验证加权因子对模式光滑转换的有效性,通过采用头部损伤标准HIC（Head injury criterion）实现对刚度区域控制算法在提高人机交互安全性方面的数量化的评估。开展考虑最小加加速度的柔顺控制实验,分析参数N的取值对实验结果的影响,在交互力快速周期性变化方面,通过与传统导纳控制算法进行对比,验证了所提出的方法的有效性。论文的研究为变刚度关节结构设计、动力学参数辨识与外力估计以及柔顺控制提供了可行的解决方案,对于提高变刚度关节在与环境中人体交互过程中的物理安全性具有重要的理论和工程意义。