随着人口老龄化形势的日渐加剧,劳动力失衡现象为机器人产业结构带来新的挑战。固有的弹性结构使连续体机器人展现出超越传统关节型机器人的出色的灵巧性和内在的柔顺性,这使得连续体机器人成为一个迅速扩展的研究领域,被广泛应用于对灵巧性和柔顺性要求高的机器人设计中,例如,微创外科手术机器人、用于受限空间检测与维护的机器人以及灵巧手,特别是拇指设计。然而,自身刚度的不足降低了连续体机器人在这些领域中应用的性能。在不失灵巧性和柔顺性的前提下,如何提高一个连续体机器人的刚度成为了连续体机器人设计中的一个关键问题。为解决这一问题,本文对相关生物结构进行功能性分析和评价,以此为基础研制一种脊柱式连续体机器人,并通过刚度特性建模与灵巧性分析以及比较性实验来探索结构与刚度和灵巧性之间更本质的关系,主要进行以下研究工作:生物学一直是机器人领域研究人员的重要灵感来源,为解决上述问题,本文从结构、功能和进化三个角度对兼具灵巧性、柔顺性和刚度的生物结构进行了定性的分析和综合。结果表明脊索和具有双平型和双凹型椎骨的脊柱是针对灵巧性、柔顺性和刚度的折中平衡,特别是具有双平型椎骨的脊柱,是改善刚度更为有效的一种生物结构。在此基础上,以具有双平型椎骨的脊柱作为灵感,研制出一种脊柱式连续体机器人,并且为了探索具有双平型椎骨的脊柱改善刚度的机理还构建并研制出一个脊索式连续体机器人和一个基本式连续体机器人作为比较。基于模块化的方法设计了上述三种连续体机器人,这使得三种连续体机器人可以共用一套驱动传动系统,并且机器人中的大部分部件可以实现互换和快速连接,便于维护。在传统关节型机器人和连续体机器人均可应用的机器人设计中,连续体机器人的优势主要集中在灵巧性上。因此,本文对连续体机器人的灵巧性进行了定量地研究。为了灵巧性分析的一致性和公平性,本文以分析力学的观点重新描述了机器人运动学,将机器人运动学分解为任务空间、构型空间和驱动空间之间的映射。在此基础上建立了连续体机器人的常曲率运动学模型和微分运动学模型。进而,在构型空间与任务空间之间映射的基础上,从位置、速度、加速度三个维度提出了一个同时适用于连续体机器人和传统关节型机器人的灵巧性评价方法。然后,以拇指设计作为研究对象,在拇指运动功能整体性分析的基础上给出了两种连续体型拇指构型,并将上述评价方法应用到拇指设计中的灵巧性评价。结果表明同等条件下连续体型拇指的灵巧性优于关节型拇指,验证了连续体机器人用于拇指设计的可行性和优势。由于脊索和具有双平型椎骨脊柱两种生物结构都具有细长弹性杆特征,因此,本文对细长弹性杆的刚度特性模型进行了研究。首先,基于能量原理建立了弹性体在外部载荷方向上的变形与应变能之间的关系模型。在此基础上,分别提出了直构型和弯曲构型下细长弹性杆在不同载荷方向上的刚度特性模型,包括直构型下的轴向刚度、扭转刚度和横向刚度以及弯曲构型下的切向刚度、主法线方向刚度和副法线方向刚度。最后,推广至弯曲构型下细长弹性杆在法平面内任意方向上和空间任意方向上的刚度特性模型,并进行了比较分析,为连续体机器人的设计和应用提供了指导。进一步地,定量研究了刚柔分段设计改善连续体机器人刚度特性的机理。由于连续体机器人的细长弹性杆特征,因此,在承受切向载荷作用时存在随动载荷作用下的压杆弹性稳定性问题。本文从静力学和动力学两个角度研究了这一问题,并给出了临界条件,以确保连续体机器人在应用中不发生失稳。然后,本文还设计了基于形状识别法和末端轨迹法的两个实验,验证了文中三种连续体机器人基本上满足常曲率假设。最后,基于细长弹性杆的刚度特性模型,提出了上述三种连续体机器人的刚度特性模型,并进行了刚度特性的比较性实验,验证了刚度特性模型的正确性以及刚柔分段的设计改善连续体机器人刚度的有效性。