夹持器是现代工业生产和生物工程、医疗科学等领域常见的末端执行机构,被操作目标物具有多样化的特点,其中包括一些易碎、非刚性以及生物细胞等容易在夹持过程中受到损毁的目标物。为了避免夹持过程中对目标物造成损坏,设计具有恒力夹持功能的夹持器具有重要的理论和实际意义。本文基于柔顺恒力机构设计了三种具有恒力夹持功能的夹持器,并对所设计夹持器进行理论建模和性能优化,主要内容如下:针对传统恒力夹持器的恒力大小无法调节的问题,基于柔顺恒力机构设计了一种恒力大小可调的夹持器。恒力夹持器主要包括放大模块和恒力模块,放大模块由两级L型放大机构串联组成,恒力模块根据正负刚度组合的原理由双稳态梁和梯形梁并联连接,通过改变对梯形梁的预紧可以调节夹持恒力的大小。采用伪刚体法和椭圆积分法相结合的建模方法,建立反映夹持器的力和位移关系的理论模型。对夹持器进行有限元分析得到其力-位移关系,结果验证了所建立理论模型的正确性。基于所建立的理论模型对夹持器结构参数进行优化设计,以扩大恒力夹持的范围和提高恒力大小的稳定性。制作样机对该恒力夹持器进行实验测试,实验结果表明,夹持器具有恒力夹持功能,其恒力范围大小为1.3mm,在未施加预紧时的恒力大小为1.3N,施加预紧后恒力的大小为2N,说明了该恒力夹持器设计思路的正确性和优化方法的有效性。针对传统恒力夹持器只有一个恒力夹持范围的问题,设计了一种具有两段恒力夹持范围的夹持器。为实现夹持器两段恒力夹持范围的功能,采用正负刚度组合原理,将同一正刚度结构和不同负刚度结构分别连接,以使整体机构的刚度接近于零。夹持器正刚度结构采用复合梁结构,复合梁结构具有线性的力-位移关系,刚度是恒定不变的;负刚度1结构为一双稳态梁,负刚度2结构采用双稳态梁和梯形梁并联的结构;通过设置转换杆来实现复合梁和两个负刚度结构分别连接的功能。制作样机并进行实验测试,实验结果显示该恒力夹持器具有两段夹持范围,第一段恒力范围为0.4~5.4mm,恒力大小为7N;第二段恒力范围为1.2~4.4mm,恒力大小为15N。为保证夹持力大小的稳定性,基于实验数据建立其BP神经网络预测模型,对夹持力的变化进行预测,通过与实验结果对比以验证所建立BP神经网络预测模型的正确性。为解决在单次夹持过程中夹持器无法具有两段恒力范围的问题,基于柔顺恒力机构设计了一种具有连续两段恒力夹持范围的夹持器。通过对产生正负刚度的结构进行理论分析与设计,得到具有连续两段恒力范围的夹持器,其中正刚度结构采用具有恒定正刚度的复合梁结构,将具有相同负刚度值的两种负刚度结构串联组合,使其和正刚度结构并联后具有两段恒力范围。采用伪刚体法对复合梁进行理论建模,采用插值的方法对夹持器的力-位移关系进行理论建模。根据所建立的理论模型研究各结构参数对夹持器恒力性能的影响,分析其灵敏度。制作样机并进行实验测试,结果表明所设计的夹持器具有连续的两段恒力夹持范围,第一段恒力范围为0.4~5mm,恒力大小为7.5N;第二段恒力范围为7.8~10.5mm,恒力大小为32N,结果证明了设计思路的有效性和所建立模型的正确性。