近些年来,随着机器人技术的不断进步,机器人的应用领域越来越广泛,已从传统的工业领域逐渐渗透到服务和家用等领域。在这些领域,机器人与人的交互越来越频繁,而且机器人的工作环境多重多样,复杂多变,这对机器人的性能提出了更加苛刻的要求。柔性变刚度关节由于具有较好的环境适应性,较高的负载自重比,良好的缓冲性能,有助于提升人机交互的安全性能,改善能量的利用率等特点,近年来受到了越来越多学者的关注,并逐渐成为机器人领域的研究热点。本文从关节变刚度原理出发,设计一款可变刚度柔性机械臂关节,并开展了以下几方面的工作:(1)设计变刚度关节的机械结构。首先确定关节的设计指标,提出一种基于板簧、弹簧的变刚度原理,并对关节刚度进行理论计算,对中间传动机构进行选型分析,包括各个零部件的选型分析,关键元件的详细设计分析,最终绘制关节的三维模型;最后,从理论分析的角度,分析关节的刚度变化范围。(2)建立关节的动力学模型。由于变刚度关节和串联弹性驱动器具有一定的相似性,因此,首先归纳总结了串联弹性驱动器的常用动力学模型;深入研究关节建模时需要考虑的因素,建立了较为完善的变刚度关节动力学模型并通过Simulink仿真分析关节的动态特性,仿真结果表明在不同的关节刚度时,关节具有不同的响应时间和响应带宽。(3)利用Adams强大的仿真功能,搭建柔性变刚度关节的仿真试验平台,通过静态刚度仿真试验,验证关节刚度的可变性和刚度变化范围的正确性;通过关节阶跃试验验证变刚度关节动力学模型的相对合理性;最后对柔性变刚度关节的两个重要特性——安全性,储能性进行详细的仿真分析,比较了传统的刚性关节和加入弹性机构的柔性变刚度关节在安全性和储能性两方面的差异。本文设计的柔性变刚度关节机械结构,动力学模型和仿真方法可为后续的优化设计,仿真验证提供理论依据和参考价值。