在科学技术和经济发展的推动下,机器人已经广泛应用在工农业生产、航空航天及国防军事领域,并且逐渐拓展到医疗、家庭和社会服务等全新领域,在人们工作、生活中发挥着越来越重要的作用。其中机械臂由于操作灵活、工作效率高等优点在机器人学科中成为一个重要分支。但大多传统机械臂多是刚性结构,主要采用金属材料制造,这一方面造成机械臂结构笨重、操作不灵活、定位精度差;令一方面也造成耗能较大,同时难以满足在工作环境条件要求极高下的工作需求。针对工业、农业、国防军事、航空航天、地震和矿井事故等场合大量需要柔性关节组成的仿生学连续型柔性机械臂和柔性机械手。由于此类柔性关节组成的机器人可以代替人类实现灵活操作完成繁杂高度危险的工作,因此仿生的柔性机械臂具有重要的学术要研究价值和广泛的应用前景。针对连续型柔性机械臂和机器人要想实现综合的柔性功能,柔性关节的柔性性能是解决这个关键问题的基础。目前研究和应用的柔性关节大多是刚性本体,其驱动方式多为电机驱动、液压缸和汽缸驱动,其主要存在两个柔性缺陷,首先是关节的本体柔性严重不足,不能适应复杂空间环境的适应性要求;其次驱动装置也多以刚性体为主,这就造成其灵活性较差、而且体积庞大。本文以柔性机械臂的柔性为出发点,以McKibben人工肌肉为基础,采用橡胶软管作为柔性关节的关节本体,压力油作为柔性关节弯曲运动的动力源,同时与橡胶软管外壁紧密贴合的约束弹簧作为柔性关节的支撑结构。论文的研究内容如下1.根据液压驱动柔性关节的结构功能,确定了基于液压驱动的柔性关节结构设计方案;根据驱动材料的工作特点,选择聚氨酯橡胶作为橡胶软管材料;建立了橡胶软管的轴向静力学模型、抗弯刚度数学模型和轴向伸长动力学模型,并求出了橡胶软管的流体流量公式。2.建立了柔性关节的三维模型,详细论述了构成柔性关节机构的支撑圆盘、约束弹簧及橡胶软管的建模过程;支撑圆盘上通油小孔的设计,提高柔细关节弯曲角度、弯曲方向的控制精度。3.建立了柔性关节实现不同弯曲角度和不同方向弯曲的控制策略。根据四个并联橡胶软管充入不同数值的压力油,产生一个压力差,利用压力差可实现不同方向、不同角度的弯曲;并且当橡胶软管沿X轴和Y轴弯曲时,柔性关节驱动力矩最大,调节橡胶软管内腔压力P_i,即可控制柔性关节的弯曲方向和弯曲角度。4.利用有限元分析软件ABAQUS对柔性机械臂建立了虚拟样机,并进行了有限元仿真分析。验证了柔性机械臂结构设计方案的合理性和理论分析的正确性。