柔性铰链是柔顺机构的重要组成部分,柔性铰链的设计是整个柔顺机构设计的关键。LEMs（Lamina Emergent Mechanisms）铰链是一种由平面薄板材料设计制作的柔性铰链,独特的结构和设计制作方式使其广泛应用于各行各业。目前,LEMs铰链的设计多集中在二维平面上,这极大的限制了其发展和应用。为了将LEMs铰链的设计从二维平面拓展到三维空间,本文提出了一种基于折纸和榫卯结构的柔性铰链设计方法。该方法不同于传统的折纸机构的设计,重点内容没有聚集在复杂折痕的设计上,而是着重解决如何设计制作永久折痕的问题上。基于所提出的方法设计了变刚度柔性铰链、二自由度柔性铰链、三自由度柔性铰链及柔性机器人等,并对这些柔性铰链和柔性机器人的设计和建模进行了深入的研究。具体研究内容如下:（1）提出了基于折纸和榫卯结构的柔性铰链设计方法和可折叠榫卯结构（Foldablemortise-tenon structure,简称FMTS结构）的概念。该设计方法通过折纸完成柔性片段的布置,利用FMTS结构完成永久折痕的制作。给出了FMTS结构的设计准则和关键技术,探究了尺寸参数对FMTS结构刚度的影响。比较了 FMTS结构和传统折纸结构相同载荷下的变形及优缺点。最后用柔性平动铰链为例,通过理论、仿真分析和实验测试验证了所提设计方法的可行性。（2）基于（1）提出的方法设计了单自由度被动变刚度LEJ（Lamina Emergent Joint）铰链,该铰链的特点是刚度可以随着负载变化。阐述了铰链的变刚度原理,给出了柔性铰链阻挡块的尺寸计算公式,分析了变刚度失效的原因,探讨了该铰链设计的关键技术。通过实例的理论计算、有限元分析和实验测试验证了该铰链的变刚度性能和设计方法的有效性。（3）基于（1）提出的方法设计了两个二自由度的柔性铰链,第一个是二自由度LET（Lamina Emergent Torsional）铰链,可以实现两个方向的转动;另一个是二自由度簧片型铰链,可以实现一个转动和一个平动。利用等效弹簧模型法、封闭模型法和柔度矩阵法等对这两个二自由度柔性铰链进行了理论分析,最后采用有限元分析验证了理论分析的正确性及设计的可行性。（4）基于（1）提出的方法设计了一个三自由度柔性铰链,并将该铰链应用于柔性连续体机器人。给出了三自由度柔性铰链的设计过程,建立了可以捕捉其空间非线性变形的理论模型,并用有限元分析进行了验证。为了分析柔性连续体机器人的运动特性,建立了其等效伪刚体模型并完成了求解。对柔性连续体机器人进行了仿真分析和实验测试,验证了理论分析的正确性和设计的有效性。（5）基于折纸和榫卯结构设计了一个欠驱动的机械手,重点研究了抓取力、初始姿态及抓取姿态与关节刚度之间的关系,确定了机械手三个关节的刚度。针对线驱动机械手内部线缆的建模问题,提出了一种考虑了内部线缆缠绕的建模方法,基于该方法分析了机械手抓取物体的运动过程,并用仿真分析进行了验证。对机械手样机也进行了运动和抓取测试,进一步验证了设计的可行性与理论模型的正确性。本文的研究可为变刚度和多自由度柔性铰链的设计提供新的思路和参考,对柔顺机构的设计起到一定的推动作用。