● 摘要
机器人在工业、航天、医疗、服务等各行各业应用越来越广泛，与操作者交互的机会越来越多，与工作环境的接触越来越多。保障机器人与操作者或环境交互时的安全，成为机器人领域研究的重点目标。传统机器人多为刚性驱动机器人，能够保证末端执行器的精确位置运动，其安全性主要通过反馈控制或者阻抗控制等主动方式实现。但是，控制系统的故障频发以及刚度单一严重制约了其应用。因此，可变刚度驱动器得到了广泛重视和研究，其主要具有柔性被动安全性、控制精度高、应用范围广、能量利用率等优点。
本课题以机器人可变刚度驱动器设计与实现为研究目标，为搭建柔性机械臂设计了可变刚度驱动器。基于模块化的思想，我们将可变刚度驱动器按照功能分为刚性驱动器关节模块和可变刚度机构模块，进行了分别的设计和模块集成。通过大量的理论分析、设计和实验验证，全文的主要工作和成果大致如下：
第一：设计独立的刚性驱动器关节模块，使得每一个模块成为一个独立的伺服驱动系统。完成了刚性驱动器关节模块的机械机构设计和加工，以及驱动器的设计和完成。
第二：大量分析国内外可变刚度设计利弊的基础上，创新性的提出以弹簧片作为弹性元件，结合悬臂梁力学模型和杠杆原理，设计了机构的变刚度原理。并在后期的测试中验证了机构变刚度原理的正确性。
第三：遵循结构紧凑、小巧、重量小、刚度变化范围广、连接方便、适应性强的原则，设计了两款可变刚度机构。分别完成了机械部分的建模和设计、力学模型分析、弹性元件仿真、驱动设计、形变检测设计、电控系统和控制策略等。
第四：根据第一款可变刚度机构的实际性能，对其机构对称性、驱动性能、形变检测性能以及变刚度调整性能进行优化，设计出第二款可变刚度机构。并对两种方案进行了对比。
第五：集成刚性驱动器模块和可变刚度机构模块为统一的可变刚度驱动器模块。并对多模块空间构型进行了分析。
第六：搭建实验平台对变刚度驱动器模块进行了静载、刚度阶跃、位置阶跃和正弦位置跟随四个实验，测试了变刚度驱动器模块的变刚度特性、刚度调节范围、刚度响应特性、位置控制的能力和振动特性，以及模块动力学特性。验证了本文方案设计有效、可行，达到了研究目标。
最后，对本文所做工作进行了总结，并提出了下一步改进方法思路和后续研究的重点。