近年来,柔顺机构由于其一体化设计加工、无摩擦、可储能、传动效率高等诸多优势被广泛应用于精密工程、柔性智能结构以及人机交互等领域。随着医疗机器人的快速发展,柔顺机构在医疗手术机器人、康复机器人等方向都起到了重要作用,典型应用场景包括具有力感知的手术器械以及柔顺驱动器等。针对目前手术器械普遍缺乏力感知的问题,本文以活检钳为研究对象,提出了基于柔顺元件的力感知活检器械设计方法;同时针对现有柔顺驱动器大多采用恒定刚度柔顺元件,导致其任务适应性和控制性能有限的问题,基于柔性梁变形理论研究了非线性柔顺元件分析及设计方法,并研制了面向柔顺驱动器的具有给定刚度形态的非线性柔顺元件。具体研究内容如下:首先,介绍并总结了现有柔顺机构刚度分析方法的优缺点,采用链式算法以及伪刚体2R模型有机结合的方式,建立了可描述非线性刚度的柔性曲梁刚度模型,并采用有限元分析方法进行仿真验证,结果表明所建的刚度模型具有良好的准确性,具备一定的实用价值。其次,基于上述给出的非线性刚度曲梁刚度描述模型,针对当前临床使用的活检钳缺乏力感知功能,提出了具有力感知功能的柔性活检钳的设计方案,并给出了柔性活检钳柔性曲梁的刚度分析方法,以此获得其变形量与活检操作力之间的耦合映射关系,从而间接计算出活检钳的操作力信息,即实现力感知活检操作。通过仿真和实体样机实验证明了本文的刚度分析模型的准确性以及力感知功能实现的可行性。最后,针对柔顺驱动器对非线性刚度设计的需求,本文采用三支链曲梁扭转柔顺元件构型,其末端采用铰链连接以简化受力情况,采用上述提出的非线性刚度曲梁刚度描述模型进行了理论分析并采用有限元仿真验证。给出了该构型下非线性刚度产生机理,即机构的几何非线性。进一步给出了针对具有离散刚度特征要求的扭转柔顺元件的通用设计方法,并以具有3个离散刚度特征的柔顺元件为例,从理论上设计了其几何参数,通过模型样机实验证实了所提设计方法的可行性。本研究为给定刚度特性的柔顺机构设计提供了新的设计思路。