柔性机构具有易整体加工、精度高、免于装配、无摩擦磨损等优势,广泛应用于航空航天、医学工程、微机电系统与光学观测控制系统等领域。但是,使柔性机构在满足刚度需求的同时实现大行程的平动或转动以及避免轴漂与寄生误差等问题一直是柔性机构的设计难点。本文以柔性转动机构设计为研究对象,针对柔性机构的设计难点,利用拓扑优化方法对柔性转动铰机构的初始结构进行优化设计,使其在满足刚度需求的同时实现大行程转动。再利用设计的柔性转动铰,针对光学观测控制系统的平面镜转动控制问题,设计构建了一种柔性调节装置。首先,针对柔性转动铰机构的设计,根据需求设定初始模型及刚性区域与弹性结构区域,利用水平集方法对柔性转动铰机构的初始结构进行拓扑优化设计,使其可以实现尽可能大的转动位移以及尽可能小的平动位移从而满足设计需求。对优化后的模型进行结构重构,并对出现的边缘锯齿状以及结构尖角等问题进行分析处理,从而初步地避免应力集中问题。其次,利用ANSYS有限元分析软件对重构后的柔性转动铰机构进行有限元仿真分析,从位移变化情况、应力变化情况以及转角变化情况来对柔性转动铰机构的性能进行分析。优化后的柔性转动铰机构在保证结构安全性的前提下,可实现较大的转角变化,满足大行程需求,结构的应力分布也更加均匀。同时,利用3D打印技术结合翻模技术对设计的柔性转动铰机构进行实物加工,根据驱动载荷与约束载荷的施加方式,对实验测试平台进行设计构建,进而对柔性转动铰机构的性能进行实验验证。所设计的柔性转动铰机构不仅可以实现较大的转角,并且可以很好地对微小转角进行控制,最后对机构的安全性进行测试。最后,基于光学观测控制系统中的平面镜转动控制,设计构建了一种柔性调节装置,并从方案论证、实验平台构建、实验设计及数据采集等方面展开了相关的研究。本文所设计的柔性调节装置不仅可以实现大转角,同时对于微小转角具有较高精度的控制能力。实验过程中此转动控制机构具有良好的弹性恢复能力和较高的转角控制精度。本文所设计的柔性转动铰机构在满足刚度需求的同时可以实现大行程转角,弹性恢复力强,精度较高,不仅可用于对大转角有需求的工程应用中,也可应用于其它微小转动调节装置的设计中。本文针对柔性机构的设计方法具有一定的普适性,对相关工程应用具有一定的指导意义。