柔性铰链是指根据材料的变形特性来传递位移、力和能量等实现特定运动的一种新型结构。相比传统刚性铰链,柔性铰链具有磨损小、精度高、可减振等优点。其中,大行程柔性铰链在提升精密装备的加工行程、扩展仿生关节的运动范围等方面优势显著,因而成为柔性铰链领域的研究热点之一。首先,本文针对传统等厚度交叉簧片柔性铰链精度低、缺口型柔性铰链转角小的缺点,提出了一种新型的变厚度交叉簧片柔性铰链。该新型柔性铰链由两条变厚度簧片异面交叉而成,且两个簧片交叉区域的厚度最小,这样铰链的转动中心区域即为变形的最大区域,使其兼具较高转动精度和较大行程范围。本文完成了变厚度交叉簧片柔性铰链的力学建模:基于Euler-Bernoulli梁理论和悬梁臂挠度积分法,建立了单个变厚度簧片的自由末端所受外部载荷与簧片末端变形的力学模型,以及整个变厚度交叉簧片柔性铰链的自由末端受外部载荷作用时,其末端形心变形的力学模型。随后对该柔性铰链力学模型进行的数值求解和有限元仿真表明,两者结果一致,本文提出的模型是合理的。然后,在力学模型的基础上,本文提出了变厚度交叉簧片柔性铰链的转动性能指标。在定义了柔性铰链的转角范围、转动刚度、中心轴漂与抗干扰能力等转动性能评价指标之后,给出了各指标的计算方法,并建立了这些指标与簧片圆弧半径比例、圆弧半径比及簧片夹角间的量化关系。接下来,鉴于变厚度交叉簧片柔性铰链的较大行程、较高精度和良好的承载、减震优点,本文将其用作仿生机器人的足部关节,并对包含柔性铰链的仿生机器人进行了运动学分析。本文根据人体足部构建了机器人仿生足部的结构简图,计算了仿生足部的自由度、建立了仿生足部的位置模型,表明提出的仿生足部构型能够满足运动需求。然后,根据仿生足部中不同关节的转角需求和承载情况,本文对提出的变厚度交叉簧片柔性铰链进行了尺寸设计,得到了满足不同仿生关节需求的簧片圆弧、圆弧半径比及簧片夹角参数值,并设计出仿生足部的三维模型。最后,本文对模仿人类步态的仿生足部进行了行走过程的力学分析。针对足底压力峰值时刻仿生足部的有限元仿真结果表明,所提出的变厚度交叉簧片柔性铰链完全能够满足仿生足部的承载需求和转角范围,且包含有变厚度交叉簧片柔性铰链的仿生足部具有较好的力学和地面适应性能,从而为仿生机器人的研发设计提出了一种新思路。