柔性连续体机械臂是近年来的研究热点,其臂体本身由弹性、柔性元件构成,具有良好的柔顺性,可在复杂、狭窄环境中仍能保持良好的灵活性和运动性能。然而,弹性、柔性元件的非线性变形使得柔性连续体机械臂的运动变形较为复杂,尤其是大变形和运动中的振动,而且尺度的增加导致其变形和振动的现象更加剧烈。所以,本文围绕柔性连续体机械臂的基本运动变形机理、大变形行为以及振动特性展开了详细的研究,具体研究内容如下:(1)建立了柔性连续体机械臂运动姿态变换的全局运动学模型。根据柔性连续体机械臂的主体弹性结构的装配、驱动形式,分析了其运动姿态变形原理。进一步,根据其姿态变形的几何形式,从三个层级空间,工作空间、关节空间和驱动空间,建立了柔性连续体机械臂的全局运动学正、逆映射关系。而后,根据全局运动学模型,对关键结构参数对柔性连续体机械臂工作空间的影响进行了讨论。最后,基于建立的全局运动学模型,模拟柔性连续体机械臂末端实现各种轨迹时的姿态变化,从理论上验证其运动变形性能。(2)建立了柔性连续体机械臂的瞬态运动学模型,提出了灵活度、操作度和操作度椭球方向指标,对柔性连续体机械臂的瞬态运动学逆解精度进行了分析研究。根据柔性连续体机械臂的全局运动学模型,首先求得了其瞬态运动学微分方程,并解析了Jacobian运动传递矩阵。而后,基于Jacobian矩阵条件数对逆解精度的影响,利用分解Jacobian矩阵的方法,提出了灵活度、操作度和操作度椭球方向指标,分析柔性连续体机械臂在不同工作区域和沿不同方向运动的精度性能。(3)建立了柔性连续体机械臂的大变形静力学模型。根据柔性连续体机械臂的结构形式,提出了将机械臂等效为一当量等效梁的思路。而后,基于欧拉-伯努利梁变形理论和椭圆积分求解原理,分析了柔性连续体机械臂末端负载大变形行为,并给出了求解方法。根据所提出了静力学模型,对柔性连续体机械臂受水平和竖直方向末端负载进行了数值模拟,分析了其姿态变形行为。此外,还对柔性连续体机械臂水平、竖直方向上的刚度进行了初步的讨论。(4)提出了柔性连续体机械臂的模态分析方法,建立了其运动变形的模态动力学模型。基于欧拉伯努利梁运动理论,推导得到了柔性连续体机械臂的四阶运动微分方程,进一步利用边界条件,获得了其模态振型的通解形式,并建立了模态频率方程。而后,通过质量正交及模态坐标叠加的方法,并根据运动学模型的极坐标与笛卡尔坐标系的转化原理,计算获得了柔性连续体机械臂受外部激励时的模态响应模型。最后,通过动态响应轨迹的数值模型,对柔性连续体机械臂的动力学性能进行分析研究。(5)对所提出的柔性连续体机械臂的运动变形理论进行实验分析验证。逆解精度实验表明,柔性连续体机械臂在弯曲角为60~°附近工作区域时运动精度较高,在沿操作度椭球主轴方向运动时精度较高,于理论规律性相吻合。负载变形实验表明,在负载小于10 N时,大变形静力学模型所求解的理论姿态可良好的反应其真时负载变形行为。此外,通过实验,发现柔性连续体机械臂在水平方向上刚度比竖直方向上的刚度大。响应轨迹对比实验表明,由本文提出的模态动力学模型计算的得到的模态特性与柔性连续体机械臂物理样机实验测量值保持较高的一致性,并且可反映其真时轨迹运动的特征。