随着科学技术的发展,机构学的研究也发生重大变化,多种学科与机构学交叉、补充、渗透,使得机构学研究范围和内涵在不断扩充。多自由度可控机构是一种新型的广义机构,具有灵活的输出、强承载能力、高精度、运行速度快等特点。国内外学者对可控机构的研究工作已获得了较多的成果,但其成果仍很分散,研究的内容主要是单一可控机构运动学特性,对可控机构型综合的研究较少,而针对工程实际应用的机构构型研究则更为鲜见。现在的挖掘机主要有两种类型,分别为机械传动式和液压传动式。传统的单自由度机械式挖掘机所能完成的动作单一,许多动作不能实现；液压式挖掘机可以灵活地执行各种工程动作,但又存在液压系统零部件制造精度高、寿命短、漏油等缺陷。将多自由度可控机构应用于挖掘机,则这类可控的挖掘机不仅能克服精度低、功能单一、控制复杂的缺陷,而且具有刚性好、承载能力强、柔性好的特点。由于这类可控机构的型综合研究还较少,本文从可控挖掘机构角度对其展开型综合,为其创新设计提供基础。针对上述问题,本文主要研究平面多自由度可控机构创新设计的相关理论和方法,并以工程机械中的挖掘机为结合点,针对挖掘机构开展了以下主要工作：首先,针对已有的机械式可控挖掘机构进行结构分析,将再生运动链法和胚图插点法相结合,对机械式可控挖掘机构进行创新设计。先将原始机构按一般化原则获得一般化运动链,再运用胚图插点法获得98种运动链,确定设计约束,将所得运动链进行特定化,得到65种可行再生运动链方案,接着进行运动链具体化,并去除掉现有机构,获得62种新型可控挖掘机构。其次,选取62种新可控挖掘机构的一种,建立该新型挖掘机构的数学模型,利用螺旋理论计算机构的自由度,根据闭环矢量法建立该机构矢量方程,求解出机构的运动学正解和运动学逆解,并对该机构的正逆解进行数值分析。接着,在机构的运动学正解和逆解基础上,得到机构的雅可比矩阵和海森阵,然后将拆分法和模块法相结合分析机构的奇异性,再应用隐函数存在定理,分析机构理论工作空间的边界条件,并借助仿真分析,获得机构的理论工作空间。最后,建立新型可控挖掘机构的虚拟样机模型,对新型可控挖掘机构进行运动学和动力学仿真,将仿真得到的挖掘轨迹与实际挖掘轨迹进行比较,证明新型可控挖掘机构的可行性。