提出了一种可实现一维移动和二维转动(1T2R)且含有冗余支链的三自由度并联机构, 基于该机构设计了一种新型的海浪发电装置。对装置的浮子进行了运动学分析, 定量分析了浮子形状和尺寸对波浪能量采集效率的影响。推导了机构的位置反解, 建立了机构的速度、加速度映射关系, 并进行了运动学仿真。分析机构的工作空间, 针对海浪发电装置的实际应用情况定义了运动学性能评价指标, 绘制了工作空间内的性能指标分布图。研究结果表明: 圆柱体浮子适用于波浪周期变化较小的海域, 球形浮子适用于波浪周期变化较大的海域, 机构的工作空间满足海浪发电装置浮子的运动要求, 且在工作空间内运动学性能良好。该研究为本机构的动力学分析、结构尺度优化及样机研制提供了理论基础。

为研制一种能实现快速行走、运动灵活性好的仿生四足机器人, 对一种能够实现机构末端位置行程放大的2自由度并联机构进行运动性能分析与结构参数优化, 并将优化结果应用到仿生四足机器人的腿部机构, 研制出样机。首先, 推导2自由度并联行程放大机构位置反解, 建立机构的线速度雅克比矩阵, 对机构的工作空间进行分析。其次, 建立机构运动灵活性能评价指标, 揭示主要结构参数对灵活性能指标的影响规律。然后, 采用容限加权法确定一组合理的结构参数, 使运动灵活性能指标达到最优。最后, 根据优化的结构参数设计出仿生四足机器人腿部机构和整体的虚拟样机, 并进行虚拟样机运动仿真。仿真结果表明：并联行程放大机构各驱动参数变化平稳, 理论速度和仿真速度误差在±1.6×10-6 m/s范围内, 验证仿生四足机器人腿部机构设计方案和结构参数的合理性及理论推导的正确性, 为该仿生四足机器人的进一步研究奠定了基础。

提出一类含有冗余支链的3-RPS/3n-SPS并联机构, 为解决该类机构的逆动力学问题, 首先对机构进行运动学分析, 建立支链与动平台末端的速度、加速度映射关系, 并对运动学模型进行仿真验证; 之后对3-RPS/3n-SPS机构进行受力分析, 列出的平衡方程数目少于未知量个数, 基于机构分支作用力与动平台末端位姿误差间的协调关系构建动力学补充方程, 求解出该类机构中所有运动副的约束反力和机构分支作用力; 基于达朗贝尔原理对机构进行逆动力学建模, 建立了机构末端力和各杆件惯性力与机构分支作用力间的关系表达式, 求解了3-RPS/3-SPS机构分支作用力、运动副约束反力及动平台位姿误差, 通过分析机构分支作用力、运动副约束反力、动平台位姿误差随时间的变化规律, 验证本文建立的3-RPS/3n-SPS并联机构动力学模型的正确性。所得到的动力学结果为该类机构的进一步研究和工程应用奠定了理论基础, 此外该逆动力学建模方法也可用于其他含有冗余支链的并联机构中。

六足机器人整机构型设计和整机运动学模型是机器人样机研制和行为控制的基础。利用GF集理论阐明了六足机器人整机构型设计的实质即为解决机械腿在机身平台上的布局问题, 并基于仿生学原理给出了5种整机构型。介绍了一种三自由度并联驱动腿部机构, 并利用闭环矢量链及求导的方法建立了基于该腿部机构的六足机器人整机运动学模型。本文给出了六足机器人整机运动学理论及仿真算例, 推导出了速度、加速度的理论值及仿真值的拟合图。拟合结果表明: 角速度、角加速度的理论值与仿真值的最大误差量级分别为10-2(°)/s和10-3(°)/s2, 验证了理论模型的正确性。基于该理论模型, 绘制了不同构型下该并联驱动腿的六足机器人的工作空间分布图, 选择了工作空间较大的两种整机构型, 并对这两种构型下的六足机器人的运动学性能进行对比分析, 选择了一种能够更好发挥该腿部机构综合运动能力的整机构型。本文的研究为该六足机器人的后续研究奠定了理论基础。所使用的整机运动学建模方法对其他六足机器人也实用。

提出了一种结构紧凑、承载能力大、转动解耦性好、运动速度和加速度大的3自由度并联机械腿。为了对其进行驱动参数分析, 对机械腿进行了动力学建模, 并基于动力学模型进行了伺服电机峰值预估。首先, 分析了腿部机构各构件的运动参数, 采用Lagrange方程建立了动力学模型, 得出了机构驱动力的显式解; 接着, 在机构动力学模型的基础上, 建立了伺服电机驱动转速和驱动力矩的峰值预估模型; 最后, 通过给定一组结构参数和运动轨迹函数, 得出了伺服电机驱动转速和驱动力矩随时间变化曲线, 得到了机构的动力学特性, 并验证了峰值预估模型的正确性。计算表明, 3个伺服电机驱动转速的峰值分别为Nx=19 r/s、Ny=17 r/s、Nw=27 r/s; 3个伺服电机驱动力矩的峰值分别为εx=5.8 N·m、εy=3.1 N·m、εw=4.4 N·m。

将并联机构用于六足步行机器人的腿部结构, 以拓展六足步行机器人的应用领域。提出了一种基于 (U+UPR)P+UPS机构的并联机械腿, 并对机械腿进行了结构参数设计。首先, 对腿部机构进行了运动学分析, 推导出了腿部机构的位置反解方程和速度传递方程; 分析了腿部机构的工作空间并绘制了工作空间三维图, 定义了工作空间性能评价指标, 绘制了结构参数与工作空间性能指标的关系曲线。然后, 对腿部机构进行了运动灵活性分析并绘制了雅克比矩阵条件数分布图, 定义了运动灵活性评价指标, 绘制了结构参数与运动灵活性指标的关系曲线。最后, 基于工作空间性能指标和运动灵活性指标, 采用蒙特卡罗法进行了结构参数分析, 选取了一组性能较好的结构参数并考虑加工和装配工艺性, 设计了一种新型3自由度并联机械腿的虚拟样机, 为六足步行机器人的进一步研究奠定了基础。

为了对一种六足机器人的五自由度并联机械腿进行静力学性能评价和优化设计，提出了一种同时考虑约束力映射关系和驱动力映射关系的腿部机构静力学分析方法，并基于此方法对机械腿进行了优化设计。首先，通过分析腿部机构的驱动、约束映射关系，分别建立了腿部机构的驱动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵；应用虚功原理建立了腿部机构的驱动静力传递平衡方程，在定义驱动静力学评价指标的基础上绘制了评价指标分布图，得出了结构参数与驱动静力评价指标之间的关系曲线。然后，采用同样的方法建立了腿部机构的约束静力传递平衡方程，定义了约束静力学性能评价指标，得出了结构参数与约束静力评价指标之间的关系曲线。最后，基于驱动、约束静力学性能评价指标，采用蒙特卡罗法对结构参数进行了优化设计。计算表明，固定平台结构参数a为200 mm、运动平台结构参数b为80 mm，UPU支链长度l1min、l1max分别为500 mm、900 mm时，腿部机构的静力学综合性能最好。

为了增大机器人肩关节的工作空间和承载能力，改善机器人肩关节的通用性与适应性，提出一种基于3-RRR正交球面并联机构的新型机器人肩关节，并对机器人肩关节进行了静力学分析和结构参数设计。首先，应用虚功原理建立机器人肩关节的静力学传递方程；其次，利用矩阵理论中的范数知识，将力雅克比矩阵引入静力学性能评价指标中，定义了机器人肩关节的静力学性能评价指标和全域力矩性能评价指标，并绘制了静力学性能评价指标在工作空间内的性能图谱。建立了基于机器人肩关节全域力矩性能评价指标的目标优化函数，分析了目标优化函数与全域力矩性能评价指标的关系，并利用全域搜索法，得到了机器人肩关节的优化结构参数：中间杆WB的杆长为49.8~60 mm，连架杆AU的杆长为90~112 mm。分析结果表明，机器人肩关节在初始位置附近具有良好的静力学传递性，且其随着转角的增大而降低。最后，根据优化的结构参数设计了新型的机器人肩关节。

对球面三自由度机器人力矩输入均衡性能进行了分析,给出了其机构设计.分析了球面三自由度机器人的输入力矩与输出力矩之间的关系,定义了力矩输入均衡性能评价指标和全域力矩输入均衡性能评价指标.在满足全域性能较好的情况下,应用空间模型技术选取了一组合理的机器人结构尺寸参数,同时考虑加工与装配工艺性,设计了一种球面三自由度机器人,该机器人可用作腰关节、腕关节和精密工作台等.

研究了一种新型的3自由度3-P-2SS球平台机器人的运动传递性及其在工作空间的分布规律.该机器人在坐标原点具有最佳的运动传递性能,介绍其正交的结构布局特点,基于其位置反解推导运动学传递方程,定义其沿x、y和z方向的运动传递能力评价指标,给出这些评价指标在工作空间内的分布情况,这对该种球平台机器人的合理任务规划很有帮助.