相对刚性机器人而言,软体机器人的机械本体由具有一定弹性的软质材料制成,在与外界发生碰撞时能够吸收一定碰撞能,有效避免或减轻对外界和自身的伤害,因此软体机器人在人机交互等应用场合具有更大优势。此外,软体机器人可以实现连续变形,对环境的适应能力也更强。因此,软体机器人近年来成为机器人领域的研究热点。本文从软体机器人所需的柔性驱动技术出发,选择具有高能量密度和快响应速度的丙烯酸类介电弹性体薄膜作为驱动材料,研究单自由度的最小能量型柔性关节的静力学、动力学及双稳态特性,在此基础上给出该类型关节的量化设计方法,并利用此设计方法研制了两种软体机器人。具体内容如下。在静力学特性方面,由于介电弹性体薄膜是一种具有粘弹性的超弹性材料,拥有复杂的非线性本构关系,而且柔性关节在弯曲时薄膜会形成特殊马鞍面形貌,所以很难基于牛顿力学建立精确的静力学解析模型。本文基于热力学理论框架和高弹聚合物力学理论,采用Yeoh应变能密度模型描述薄膜的本构关系,借助ABAQUS软件,建立柔性关节的有限元静力学模型。利用该模型研究柔性框架镂空区形状、薄膜厚度对柔性关节静力学性能的影响。通过实验研究不同预拉伸方式和不同预拉伸率对关节静力学性能的影响。在动力学特性方面,根据牛顿力学建立考虑系统阻尼和空气阻力矩的柔性关节等效动力学模型。针对薄膜力矩难以用数学解析式表达的困难,提出采用等效标定和拟合的方法确定薄膜的力矩。采用衰减振荡法,通过测试关节通电和断电后的自由振动曲线,获得关节通电和断电的系统阻尼系数。以一个关节实例,给出动力学模型的解算过程。为了充分验证所建动力学模型的正确性,选择不同尺寸、预拉伸率、电压幅值、电压频率四个变量,进行八组动力学模型验证实验。发现了柔性关节在静平衡状态下具有两个稳态的双稳态特性,从关节变形过程中薄膜力矩方向改变的角度出发,分析双稳态的形成原因。设计两个稳态的关节变形角相同的对称关节结构。基于关节通电后的自由振动曲线,研究关节双稳态转换的触发时间问题。此外,利用双稳态特性,提出在不增大通电电压幅值的前提下,依靠调节方波频率和占空比实现增大关节动态变形幅度的方法,并进行实验验证。利用对关节双稳态转换的触发时间研究基于柔性关节的静力学特性、动力学特性和双稳态特性,建立柔性关节的评价指标体系,包括静平衡变形角、动态变形幅度、最大输出力矩、固有频频率、平均功率和平均功率密度六项评价指标,给出每项评价指标的具体含义。通过分析各项评价指标之间的关系,发现其余四项评价指标均与静平衡变形角和最大输出力矩两项指标有关,所以在研究关节设计方法时选择这两项指标为设计指标。从介电弹性体薄膜弹性能做功的角度推测得出:对任意给定的关节变形角、薄膜预拉伸率和镂空区形状,薄膜对柔性框架的力矩与其有效体积成正比。并从理论和实验两方面对该比例关系进行证明和验证。基于该比例关系提出面向静平衡变形角和最大输出力矩的柔性关节设计方法,给出关节具体设计流程,并通过实例检验该设计方法的有效性。以扑翼机器人和仿蛙泳机器人为应用实例,进一步验证本文建立的柔性关节设计方法在软体机器人设计中的实用价值。根据鸟类翅膀在一个飞行周期内的动作姿态,设计由两个折展关节和一个扑动关节组成的扑翼机器人。通过对各关节的驱动性能进行需求分析,提出各关节静平衡变形角和最大输出力矩设计指标,依据本文建立的关节设计方法,完成各关节设计。利用本文建立的有限元静力学模型和实验验证关节设计的正确性。同样,根据人在蛙泳时一个游动周期内双腿和双脚的动作姿态,设计仿蛙泳机器人的结构。该机器人的结构由两个用于模拟人类双腿的柔性关节和两个用于模拟人类双脚的自适应变刚度结构组成。通过对关节的驱动性能进行需求分析,提出关节的静平衡变形角度和最大输出力矩设计指标,采用本文建立的关节设计方法,完成关节设计。并利用本文建立的有限元静力学模型和实验完成设计指标的检验。