刚体导引是机构综合领域中的一种重要方法,它能够导引刚体上一点有序通过给定的位置和姿态点(以下简称为位姿点),以完成相应动作。传统的刚体导引方法主要用于闭链多杆机构设计,经过机构缺陷判别、全转副判别及杆长约束后,实际应用中,常常出现机构参数的可行解少、甚至无解的情况,从而无法满足实际的工程要求。本论文在国内外相关研究的基础上,提出运动学映射理论解域拓展方法,并建立平面开链式非圆齿轮连杆机构刚体导引方法,将刚体导引理论推广应用到开链式机构,并在下肢三关节一体化康复机构设计中得到了应用。主要的研究内容如下:1)综述了国内外刚体导引理论和现有开链式非圆齿轮连杆机构设计方法,并分析了存在的问题,提出了平面开链式非圆齿轮连杆机构刚体导引的新思路。针对平面开链式非圆齿轮连杆机构刚体导引的特点,提出了一种精确和近似位姿点刚体导引的解域拓展方法,并建立开链杆的圆心点和圆点曲线,讨论了面向刚体导引要求的非圆齿轮传动设计。2)提出了平面2R开链式非圆齿轮连杆机构刚体导引方法。首先,给定若干个位姿点(4个及以上)的目标要求,通过运动学映射理论获得的拓展解域,得到精确或者近似的2R杆的圆心点和圆点曲线。其次,采用向量叉乘和点乘方法,进行2R杆的顺序缺陷剔除;并进一步建立非圆齿轮节曲线凹凸性判别、传动压力角计算、重合度计算等模型,剔除非圆齿轮传动缺陷,得到可行解区域。最后,在可行解区域内优选参数,得到2R杆在目标位姿点处的转角关系,采用样条曲线进行非圆齿轮总传动比的拟合,然后进行传动比的分配,获得各非圆齿轮节曲线,完成平面2R开链式非圆齿轮连杆机构的设计。3)将平面2R开链式非圆齿轮连杆机构刚体导引方法拓展至平面3R开链式非圆齿轮连杆机构的设计。首先,通过添加一定约束条件,将运动学映射理论运用于求取平面3R杆,提出了第Ι类和第Ⅱ类平面3R杆设计方法。第Ι类平面3R杆设计方法是给定3R杆转动中心坐标、第一杆方位角以及目标位姿点,采用三坐标变换方式得到所需的圆心点和圆点曲线。第Ⅱ类平面3R杆设计方法是给定第三杆铰链点的参数、目标位姿点,求取圆心点和圆点曲线。然后,根据平面3R杆的运动要求,进行机构缺陷剔除、各级非圆齿轮传动比分配和非圆齿轮节曲线计算,完成平面3R开链式非圆齿轮连杆机构的设计。根据所提出的第Ι类和第Ⅱ类平面3R杆设计方法,分析了两种类型的设计变量对于圆心点和圆点曲线、机构末端轨迹等机构参数的影响,为后续具体机构设计提供了依据。4)将平面3R开链式非圆齿轮连杆机构刚体导引方法应用于下肢三关节一体化康复机构的设计。分析了人体下肢的工作空间,通过实验获得了下肢踝关节、脚尖等关键点的运动轨迹和姿态,然后提取关键位姿点。根据实际工况的要求和机构传动特性要求,建立平面3R开链式非圆齿轮连杆下肢康复机构的优化目标函数和约束条件,并采用遗传算法进行求解,获得平面3R开链式三关节一体化康复机构及其最优参数。建立该3R开链式非圆齿轮连杆下肢康复机构的三维模型,研制试验样机。通过试验,发现样机轨迹点和理论计算的轨迹是基本一致的,表明平面开链式非圆齿轮连杆机构刚体导引方法的正确性和实用性。