对人类运动时肌肉表现和性能的研究表明,可变的刚度是人类运动时的关键特性。因此,根据人类自身肌肉的运动特性设计的可变刚度关节VSA(Variable Stiffness Actuator)是实现拟人化运动以及接近人类运动能力的一种新型驱动方式。相比于纯刚性关节以及串联弹性作动器(Series Elastic Actuator),变刚度关节具有良好的鲁棒性和适应性,且能够实现更加自然的仿人运动和接近人类的运动性能,由此在仿人机械臂,足式机器人以及康复领域都有巨大的应用前景。为此,本课题着眼于对变刚度关节关键技术的研究,开展基于凸轮-滚子-弹簧机构的变刚度关节结构设计和建模方法;基于最优控制的变刚度关节轨迹规划方法;具有非匹配扰动的变刚度关节的抗饱和跟踪控制方法以及基于Ether CAT+RTOS+Simulink的变刚度关节系统平台的搭建等关键技术的研究,并进行相关的验证实验。开展基于凸轮-滚子-弹簧机构的变刚度关节结构设计和建模方法的研究。以可拓展性和模块化作为主要设计目标和以关节尺寸、输出功率、刚度变化范围以及传动效率作为设计指标,提出对称式压缩弹簧的凸轮-滚子-弹簧刚度调节机构原理,并提出采用组合蝶形弹簧等效指定刚度系数的压缩弹簧的设计方法,实现模块化、小尺寸大力矩的刚度调节机构。基于该机构原理,研制具有可拓展性以及大输出力矩等特点的变刚度关节SDS-VSA样机。通过分析凸轮-滚子-弹簧机构的受力情况,推导变刚度关节的输出力矩和输出刚度的数学模型,又面向控制器对模型计算效率的需要,基于最小二乘法和高次多项式,提出变刚度关节关于变形量和刚度设置角度的等效模型的拟合方法并能够得到较好的拟合结果。建立变刚度关节中刚度调节结构的ADAMS仿真模型,通过仿真结果得知所推导理论模型的正确性。开展基于最优控制的变刚度关节轨迹规划方法的研究。考虑变刚度关节具有双驱动的结构特点,提出采用最优控制方法解决缺乏任务与轨迹映射关系时变刚度关节系统中位置和刚度轨迹规划难的问题。结合变刚度关节的状态方程和状态约束条件等,构造时间-能量最优的点到点运动和负载-时间-能量最优的点到点运动两类最优控制问题。为了解决非线性约束造成的最优化求解效率低的问题,提出采用非线性约束归一化的方法,将系统中不能被违反的状态约束内嵌入系统状态方程中,以及通过罚函数法将其他约束转换成最优控制问题的目标函数。针对i LQR(Iterative Linear Quadratic Regulator)最优化求解框架存在无法对一维向量的目标函数进行函数逼近的问题,提出二分法与i LQR框架结合的最优化求解方法BS-i LQR。为了探索变刚度特性在爆发性运动所发挥的作用以及解决BS-i LQR方法求解精度差的问题,又提出采用高斯伪谱法对负载-时间-能量最优的点到点运动的轨迹规划问题求解。最后对上述轨迹规划方法进行仿真对比,验证了所提出的方法的有效性。开展具有非匹配扰动的变刚度关节抗饱和轨迹跟踪控制方法的研究。考虑变刚度关节中刚度调节动力学带来的强耦合特性以及电机输出力矩饱和现象对轨迹跟踪带来的影响,首先提出引入非匹配扰动,实现变刚度关节连杆侧动力学和刚度电机侧动力学的解耦,将对高阶的系统的控制器设计问题降阶为对各个子系统设计具有非匹配扰动的抗饱和轨迹跟踪控制器的问题。基于指令滤波反步法的设计思想,设计具有滤波误差补偿的指令滤波虚拟控制律。提出采用基于动量的干扰观测器对非匹配干扰以及可匹配干扰进行估计并反馈至控制系统中,避免由于获取加速度而引入的高阶噪声破坏估计精度。提出抗饱和补偿辅助系统,实现对电机驱动力矩饱和时跟踪误差的补偿,提高系统对指令轨迹的跟踪精度。为了验证上述复合控制器的有效性,一方面基于李雅普诺夫稳定性第二判定定理,推导证明闭环控制系统的稳定性,另一方面采用两自由度机械臂仿真平台进行仿真验证,从仿真结果可知,本文中设计轨迹跟踪控制器,可以有效的抵抗干扰以及饱和特性带来的影响,实现较高轨迹跟踪精度。开发基于Ether CAT+RTOS+SIMULINK组合技术的变刚度关节系统平台并开展对变刚度关节的功能验证的实验研究。为了解决变刚度关节系统中信号接口形式多样且互相不兼容的问题,开发基于Ether CAT现场总线技术和实时操作系统(RTOS)的硬件平台和软件平台,实现对非Ether CAT从站接口部件的兼容性,提高系统平台的通用性以及拓展性。另一方面,为了解决控制算法快速验证的问题,基于Matlab/Simulink Real-Time搭建了实现变刚度关节控制的软件架构和应用功能模块,提高变刚度关节控制算法的编程效率。在此平台的基础上,开展变刚度关节功能验证的实验研究,对变刚度关节的在固定负载下以及固定位置下的刚度调节性能以及轨迹跟踪性能进行实验研究,实验结果可以说明本文所提出的变刚度关节结构以及控制方法的有效性。