随着社会科技的进步,工业技术的发展,机器人在社会生产、生活中的应用已经越来越广泛。人们对机器人的需求从传统的工业生产慢慢地向服务行业过度,传统的用于工业生产的机器人关节几乎为定刚度关节,机器人的作业对象为各种机械设备或者机械零部件,它们的作业精度很高,但是无法保证机器人周围工作人员的安全。然而,随着服务机器人不断地涌入人们的生活中,迫切地需要机器人具有变刚度特性,使得机器人手臂在撞击到人的时候,机器人内部的变刚度柔性关节能够吸收外界的冲击能量,进而降低或避免机器人对人的伤害,以实现机器人与人的安全交互。基于这一应用背景,本课题设计了应用于服务机器人领域的变刚度柔性机器人关节。和常用的刚性关节不同,一方面,变刚度柔性机器人关节可以实现关节臂杆的柔性输出,在与人交互的环境中,机械臂在碰到人时能够吸收外部的能量,起到缓冲的作用,进而避免机器人对人的伤害。另一方面,关节的刚度可以通过刚度调节电机进行调节,在实际应用当中,我们可以通过人工智能算法让关节的刚度根据所使用环境进行在线自动调节。本课题所设计的变刚度关节通过内置的永久磁铁和和弹簧协同对关节刚度进行调节,与现有技术相比,机械结构更简单、紧凑,调节效率更高,响应更迅速。论文在诸多文献调研论证的基础上,设计变刚度关节的工作原理,采用机械-磁耦合的方式来实现关节的柔性输出以及关节刚度的改变。关节的柔性输出主要依托于关节内部的弹簧组来实现,关节刚度的变化调节主要依托于关节内部外壳磁铁和转子内壳磁铁的接触面积来实现。通过位置控制电机控制关节的角位移和角速度,通过刚度调节电机控制磁铁外壳的轴向运动,从而实现外壳磁铁和内壳磁铁的接触面积的变化,以达到改变关节刚度的目的。论文根据关节的变刚度原理,采用SolidWorks设计了关节的机械结构,并针对弹簧组进行了特定的设计和分析,然后利用ABAQUS软件对关节进行了静力学分析,利用Fe-safe软件对关节的关键受力零部件进行了疲劳分析。针对关节内部的磁场,进行了磁铁材料的选型以及磁力的理论计算,并通过Maxwell软件对内部磁铁的布置及所产生的磁力滞矩进行了优化分析,得出了关节磁力滞矩的仿真结果。最后采用Adams软件对关节进行了动力学分析,测试关节臂杆碰到障碍物时关节的刚度值、关节臂杆的冲击力、扭矩以及弹簧的受力等。根据关节的功能实现需求,设计了关节的电控系统,并对电机、减速器、传感器等电器元件进行了选型。设计了关节的电气硬件结构图及相应的电路图,为后续变刚度关节的试验及其在机器人上的应用奠定了基础。此外,针对关节在实际运动中可能出现的抖振现象,基于滑模控制方法设计了抑制关节抖振的算法,并通过MATLAB仿真,证明有较好的抖振抑制效果。