不像传统的刚性机构依靠运动副来实现所有的运动,柔顺机构主要是通过机构中柔顺构件的变形来实现运动、力和能量的传递与转换。利用柔顺机构来设计恒力机构能有效地减小机构中的间隙、摩擦和磨损,提高机构的性能。目前,恒力机构研究存在的不足主要体现在恒力输出区间过小、体积过大的等问题上,本文针对这些问题设计了三种大行程柔顺恒力机构:基于新型柔顺铰链的Sarrus恒力机构、力可调的刚度组合型柔顺恒力机构以及恒转矩柔顺铰链。主要工作如下:(1)介绍了恒力机构的设计和建模的方法。设计分为四种常规弹簧储能型恒力机构和四种柔顺梁储能型恒力机构,介绍了它们的工作原理,设计方法,建模方法,优缺点以及应用。在介绍柔顺梁储能型恒力机构时,详细讨论了两种普遍适用的恒力机构设计:刚度组合型恒力机构和曲梁恒力机构。(2)对采用新型柔顺铰链的Sarrus机构恒力特性进行了研究。利用刚体替换的方法将刚性Sarrus机构中的部分(或全部)刚性铰链替换成新型柔顺铰链,通过各柔顺铰链能量的叠加实现恒力输出。首先通过对比几种柔顺铰链选择了运动范围大、轴漂小、承载能力强的新型交叉簧片式柔顺铰链作为柔顺Sarrus机构的柔顺元件;然后对交叉簧片式柔顺铰链进行建模,得到能描述其在大转角状态下刚度非线性的经验弯矩计算公式;接着建立柔顺Sarrus机构的运动静力学模型,推导出了输出端的力和机构各结构参数间的关系表达式;再利用粒子群优化算法对柔顺Sarrus机构的各结构参数进行优化,并得到了一个具有恒力特性的优化结构;最后对优化结果进行了有限元仿真和实验验证。(3)基于刚度叠加的思想,设计了一种力可调的刚度组合型柔顺恒力机构。首先选择了基于固定-导向梁的柔顺双稳态机构作为负刚度机构,并利用链式梁约束模型对其建模和优化;然后确定了正刚度机构的构型,并对其进行建模和优化;接着将正、负刚度机构相结合得到了一种柔顺恒力机构,并通过对正刚度机构进行预加载实现恒力可调功能;最后为了验证理论分析的正确性,对整个机构做了有限元仿真,并且制作了样机进行实验测试。(4)提出了一种分布柔度式恒转矩柔顺铰链的设计方法。首先根据梁的曲屈设设计了一种负刚度柔顺铰链,然后利用6段链式梁约束模型对其进行建模,并分析了负刚度柔顺铰链各结构参数对负刚度特性的影响,优化出了一组负刚度特性较好的结构参数;接着将新型交叉簧片式柔顺铰链作为正刚度柔顺铰链,并设计了一组关于正刚度柔顺铰链的结构参数,将其与负刚度柔顺铰链相结合,得到了恒转矩特性;再分别对正、负刚度柔顺铰链进行有限元验证;最后根据优化参数制作了一个样机并进行了测试,测试结果与理论分析结果虽有偏差,但变化趋势基本吻合。