共融机器人是指能与作业环境、人和其它机器人自然交互、自主适应复杂动态环境并协同作业的机器人,近些年来逐渐成为未来机器人研究的重点。因其工作过程中不断与人产生交互,保证人机交互过程中的安全性就显得尤为重要。解决这一问题的一个方法是在其中引入柔性元素,并将其设计成变刚度。柔顺机构依靠柔性构件的弹性变形来实现其运动,可以将柔顺机构的设计理论与共融机器人机械臂、执行器等部件的设计相结合。柔性铰链是柔顺机构的基础,本文对大变形变刚度柔性铰链进行研究,提出了铰链大变形和变刚度的设计方法,设计了多种新型柔性铰链,满足共融机器人对于灵活性、安全性、适应性的要求,并对它们的性能进行了分析。具体研究内容如下:(1)提出了一种大变形柔性铰链的设计方法,设计了新型平面折展大变形柔性铰链。平面折展柔性铰链的柔性片段通常被布置在两个刚性连杆之间,这就限制了柔性片段的数量和长度,同时也限制了铰链的变形范围,因此通过设计柔性片段的不同布置方式,利用柔性片段串联或并联的方法,设计了两种新型大变形平面折展柔性铰链:外侧布置型平面折展柔性铰链(Outside-Deployed Lamina Emergent Joint,简称 OD-LEJ)和内侧布置型平面折展柔性铰链(Inside-Deployed Lamina Emergent Joint,简称 ID-LEJ)。将每个柔性片段等效成一个弯曲弹簧或扭转弹簧,根据串并联关系,建立铰链的等效弹簧模型,并推导出铰链等效刚度的理论计算公式。给出了设计实例,利用理论计算和有限元仿真对其进行了大变形分析,分析其变形能力及刚度特性,并与LET(Lamina Emergent Torsional)柔性铰链进行了比较。(2)提出通过改变柔性片段的有效长度来改变柔性铰链等效刚度的设计方法。在ID-LEJ大变形柔性铰链的基础上,加装刚性滑块,通过改变滑块位置改变柔性片段的有效长度,对其进行变刚度设计。根据滑块滑动过程中相对位置的不同,分两种情况进行了讨论:滑块对称滑动和非对称滑动,分别给出了铰链的等效弹簧模型,并推导相应等效刚度理论计算公式。利用有限元仿真分析,对铰链的变刚度特性以及理论公式的正确性进行了验证,并制作了相应的实物模型,对其应用进行了讨论说明。(3)为了将变刚度设计方法应用到机器人机械臂的设计中,设计了管状大变形变刚度柔性铰链。为了提高铰链的变刚度性能,设计了独特的柔性片段形状,增加了柔性片段的数量,并将一部分柔性片段串联成S形。通过改变滑块的位置,改变参与变形柔性片段的数量和长度,从而改变铰链的等效刚度。该铰链的等效刚度呈阶段性变化,能够在大范围内发生改变。随着滑块的滑动,针对滑块所处位置的不同,建立了铰链变刚度等效弹簧模型,推导铰链等效刚度的理论公式,并利用有限元仿真分析验证了铰链的变刚度特性以及等效刚度理论公式的正确性。(4)提出了通过设计柔性铰链切口形状来实现变刚度的设计方法。以LET柔性铰链为例,对其切口形状进行设计,当铰链变形量达到某一阈值时,通过支撑结构与柔性片段或另一个支撑结构相接触,改变其抗拉刚度或抗压刚度。给出了设计实例并制作了相应的实物模型,对其进行了有限元仿真分析和实验测试,验证了设计的可行性和模型的正确性。(5)针对直梁型柔性铰链,同样利用设计切口形状实现变刚度的设计思路,提出了一种变刚度设计方法,设计了变刚度直梁型柔性铰链。将其切口部分设计成阶梯状支撑结构,使其实现复杂的变刚度特性。分别利用线性方法和非线性方法对其变形进行了理论分析,推导了各个刚度阶段铰链等效刚度与尺寸参数之间的关系,给出了该类型铰链的综合方法。利用有限元仿真、线性方法和非线性方法对变刚度直梁型柔性铰链设计实例进行了分析,验证了铰链设计方法与理论公式的正确性。总之,本文提出了柔性铰链大变形的设计方法,针对柔性铰链的柔性片段和切口形状,分别给出了实现变刚度的设计方法,设计了一系列新型大变形变刚度柔性铰链,给出了等效模型和理论计算公式,并对其性能进行了分析,为柔性铰链的设计提供了新思路,为柔性铰链的分析提供了新方法,具有重要的理论意义和广泛的应用前景。