本文密切结合我国高端装备制造中对大型构件现场加工的重大需求,系统研究了一种高性能五自由度混联加工机器人的构型创新、参数化建模与性能评价,以及基于综合性能驱动的设计理论与方法,并开展了与这些研究内容相关的实验验证工作。全文取得了以下创新性成果:（1）构型综合、优选与机构创新从分析平面运动链的共面约束入手,提出一种综合一类过约束1T2R（T——平动,R——转动）并联机构构型的新方法,具有可视性好、简单直观,易于工程技术人员掌握等优点。提出了按照末端位姿能力恰当性、支链结构力学合理性、装备可重构性等遴选适合制成加工机器人模块的选型准则。根据上述构型综合方法和选型准则,创造性地发明了一种新型五自由度混联机器人——Tri Mule,具有模块化程度高、可重构能力强等优点,可用于搭建形式多样的机器人化作业单元与制造系统,应用前景广阔。（2）参数化建模与性能评价将旋量理论与结构力学有机结合,提出了一套Tri Mule机器人运动学、刚体动力学、静刚度及弹性动力学参数化建模方法,所建模型具有列式简洁且力学意义清晰的优点。在此基础上,针对加工用机器人的多种性能需求,利用矩阵奇异值理论和模态分析理论,建立了一套评价1T2R机构与整机系统运动学和动力学性能的评价指标体系,并借助响应面分析全面清晰地揭示出关键参数对系统局部和全域性能的影响规律,进而为指导Tri Mule机器人整机系统的集成设计提供了重要的理论依据。（3）基于综合性能驱动的设计理论与方法提出了主参数驱动、层次化和局部性能替代等设计策略,为降低Tri Mule机器人系统的设计复杂度和提高设计效率提供了一套行之有效的设计思路。在此基础上,采用主参数驱动的关联设计、子系统静刚度匹配与CAD-CAE信息交互等设计思想和设计手段,提出了一种兼顾工作空间/机构体积比、加减速能力和静动态特性等多种性能的优化设计方法,形成了一套集机械结构方案设计、关键参数优化设计、综合性能快速预估与驱动器参数选型于一体的Tri Mule机器人数字样机设计体系和设计流程,进而为工程样机的开发奠定了坚实的理论基础。利用本文提出的设计理论与方法,成功研制出Tri Mule-600机器人工程样机。实验研究结果表明,该机器人任务空间/机构体积比达到2.7;末端参考点最大线速度和线加速度达到60 m/min和1G;末端参考点切向最小静刚度与整机系统一阶固有频率在任务空间80%内优于2.1 Nμm和24 Hz。所开发的工程样机综合性能优良,已在铝合金薄壁结构件镜像铣削、铝合金/复材/钛合金叠层构件螺旋铣孔等应用中得到了验证。本文研究成果对丰富和发展混联机器人的设计理论与方法,促进我国高性能机器人化加工装备的自主创新和工程应用具有重要的理论意义和实用价值。