变刚度是近年来机器人柔顺控制领域的研究热点。将变刚度柔顺装置安装于机器人的操作末端并与环境发生直接的物理交互,不仅能提高机器人-环境交互的安全性,还能使机器人系统的运动控制与力控制解耦,提高自动化作业的加工质量。然而,目前的变刚度设计主要基于机械或气动的原理。前者利用机械传动系统对弹性元件进行调节获得变化的刚度,后者则通过控制气压获得可变的柔顺效果;两者都存在结构复杂、力学特性非线性以及刚度变化响应迟滞等问题。因此,目前变刚度柔顺装置执行机器人-环境交互柔顺控制的精度和稳定性均不甚理想。针对以上问题,本文提出了基于线圈-永磁铁非接触式的电磁交互效应的变刚度柔顺原理和方法,开发了电磁柔顺装置的物理样机及其力反馈控制系统;相比目前主要的变刚度设计,显著提高了柔顺控制的响应速度、精度和稳定性。为了增强机器人系统在未知环境下的力顺应能力,论文还研究了空间多自由度变刚度柔顺特性的设计方法。通过开展电磁柔顺辅助下的机器人-环境交互力顺应控制实验,充分验证了电磁柔顺在保障交互安全、提高机器人自动化作业加工质量方面所具有的应用潜力。本文的主要研究内容如下:基于电磁交互效应的变刚度柔顺方法:通过对不同磁源组合力学特性的试验分析,提出了线圈-永磁铁共轴组合的电磁变刚度设计原理。基于对电磁学理论的推导,建立了输入电流到线圈-永磁铁电磁交互系统输出力和刚度特性的解析映射模型。在此基础上,通过对电磁交互系统的结构参数进行优化设计,研制了电磁柔顺装置的物理样机。该样机具有快速的刚度调节响应,在电流控制下能够实现准线性的力-变形特性。面向交互操作力控制的电磁柔顺控制系统:建立了电磁柔顺装置控制系统的理论模型,研究了电磁感应对柔顺装置力学性能的影响。基于对增量式PID、单神经元PID以及BP神经网络PID算法的控制仿真,确定了电磁柔顺装置的自适应力控制策略。在脉冲宽度调制(PWM)技术的基础上,利用Arduino单片机和H桥驱动板开发了电磁柔顺装置的力控制系统。系统测试以及与气动柔顺装置的性能对比表明,电磁柔顺具有力控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点。空间变刚度柔顺特性的设计与实现:利用电磁变刚度弹簧替换并联机构的驱动副,提出了3UPU-4SPS构型的电磁并联柔顺装置设计模型。该模型在刚度中心点具有纯平移的空间柔顺特性,且平移刚度矩阵的特征向量和特征值,分别表征了柔顺装置力柔度主轴的方向和主轴刚度值的大小。建立了电磁并联柔顺装置目标空间力顺应特性到支链弹簧刚度值的综合映射算法。通过控制支链电磁弹簧的线圈电流,可利用电磁并联柔顺装置实现特定边界内任意的目标空间柔顺特性。电磁柔顺辅助下的交互操作力顺应控制实验:在电磁柔顺的辅助下,分别开展了机械系统撞击鸡蛋、挤压鸡蛋以及机器人自动化抛光应用实验。通过电磁柔顺快速的变刚度以及稳健的力控制性能,确保了脆弱的生鸡蛋在交互作用力下完好无损。另一方面,利用电磁柔顺对自动化抛光过程中的抛光正压力进行实时控制,使机器人系统的运动控制与力控制解耦,获得了光滑流畅的自动化抛光材料去除效果。通过上述实验,直观揭示了电磁柔顺在工业自动化中的应用价值。通过本文提出的电磁变刚度原理和柔顺控制技术,使刚度调节的响应时间从传统机械或气动式变刚度设计所需的数百毫秒缩短到不足30ms,并使力控制的精度相比气动柔顺装置产品获得了显著提高,从而为实现安全、可控的机器人-环境物理交互提供了一条新的技术途径。