人类对自动化,智能化装备的需求,推动了机器人技术的快速创新与迭代。随着机器人逐渐融入人类工作与生活,安全问题不可避免成为机器人技术研发的首要问题。变刚度关节是一种刚度可调的柔性关节,相比于传统刚性关节,其灵活的刚度调节能力,良好的缓冲能力是解决安全问题的有效手段。本文设计了一种新型变刚度关节,并对变刚度关节做了系统性能研究。首先,以服务机器人末端关节为应用对象,确定变刚度关节具体设计指标。并基于变结构式变刚度原理,设计了一种基于弹簧片的变刚度关节。通过超静定悬臂梁模型简化,推导相应的刚度数学模型,分析了理论刚度调节范围和关节相对偏转角度对系统刚度的影响,并对关节内部使用的弹簧片进行了有限元仿真,校核其强度。其次,从直流电机动力学模型出发,以电机输出扭矩为理想输出源,基于力源法建立了变刚度柔性关节简化动力学模型,并推导其开环传递函数和特征方程,利用频率响应法,绘制系统的奈奎斯特图和伯德图,分析变刚度关节处于不同刚度状态时的系统特性,验证了其闭环系统的稳定性且随着其刚度增大,稳定裕度越高,带宽越大。然后,根据柔性关节简化动力学模型,建立状态空间方程,分别设计了基于LQR算法的状态反馈控制器和状态观测器,仿真表明状态反馈控制器能够不超调的跟踪位置阶跃信号,且随着关节刚度增大,系统响应速度更快。状态观测器能准确的估计连杆位置、连杆速度、电机位置、电机速度四个状态变量用于反馈。另外,设计了基于PID算法的刚度调节控制器,完成了关节刚度阶跃仿真。最后,通过软件与硬件集成,搭建了变刚度关节实验平台,进行了静态刚度标定实验、位置控制实验、刚度调节实验和安全碰撞实验,验证了所设计变刚度关节具备在较大范围内调节刚度和实现安全保护的能力,完成了设定的性能要求。