柔性机构是一种依靠构件自身弹性变形来输出全部或部分运动、力和能量的新型装置。由于全柔性机构为无铰链机构,因而具有无间隙和无摩擦磨损等优点,在精密定位、微机械和智能结构等领域有广阔的应用前景。本文对柔性机构的理论和设计方法进行了较为系统的研究,在此基础上将柔性机构应用到仿袋鼠跳跃机构中,以解决跳跃机器人的节能和动力学等相关问题。 本文首先研究了柔性机构表达的问题,提出了柔性运动链与刚性运动链的统一表示方法;并通过对常见柔性元素的研究,给出其伪刚体模型,采用积分法推导了该模型等效刚度和等效回转中心位置的计算公式,为将刚性机构理论应用于柔性机构的分析与设计奠定了理论基础。 其次,针对柔性机构的双重特性,先从机构的角度,采用“伪刚体模型”法对双稳态柔性机构和定常力输出机构进行分析和设计,同时运用势能法讨论了柔性四杆机构存在双稳态特性的条件,并提出了储能特性。然后从结构的角度研究了柔性机构的拓扑优化设计方法。对单载荷连续体刚性结构的单目标优化问题进行了建模和求解,并采用MATLAB软件编程实现了拓扑优化。在此基础上,采用应变能和互变能的比值作为柔性机构拓扑优化设计的目标函数,从而解决了柔性结构设计需同时满足运动学要求和结构要求的问题。为柔性机构的设计和应用奠定了理论和方法基础。 最后,将柔性机构引入到仿袋鼠跳跃机构中,建立了跳跃机构的伪刚体模型。并用凯恩法建立了系统动力学微分方程,推导了跳跃机构各关节输入扭矩和对地面作用力的计算公式,同时提出了确定等效弹簧参数的方法。还以实例分别对刚性模型与伪刚体模型进行了相应比较分析计算。结果表明:柔性机构在解决跳跃机构的节能和减振问题方面具有一定的作用。 本论文的研究工作对柔性机构的设计及应用和仿生跳跃机器人的研究具有指导意义和参考价值。