球面并联机构由于制造相对简单、经济,结构紧凑,特别适用于空间姿态变化的领域,近年来成为国际并联机构学术界和工业界关注的热点。本文对国内外球面并联机构的研究现状做了分析研究,针对目前少自由度并联机构普遍存在的不足:活动构件多、转动角度小、工作空间与结构尺寸比小、运动方程和驱动控制复杂、难以进行精确补偿、灵活性较差,在作业空间内部存在杆件干涉和奇异位形等,提出新的研究方法“齐次方位输出特征矩阵”,并据此展开球面并联机构中并联双自由度转动机构的研究,设计出三种球面并联双自由度转动机构(RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ、RGRR-Ⅲ),经过查新,国内外未见报道；对设计出的并联双自由度转动机构进行运动学分析；对RGRR-Ⅰ进行样机设计、制造、测试和分析；运用RGRR机构构造混联机器人等。主要工作和创新如下:　　 提出机构拓扑结构学新的研究方法“齐次方位输出特征矩阵”法。直角坐标系和齐次坐标将运动、变换和映射与矩阵运算联系起来,这两者均是空间机构学研究的重要工具。拓扑理论的拓展可以帮助我们高效地构造新机构。目前拓扑设计理论中的方位特征矩阵的描述和坐标系无关,针对直角坐标系下的任务需求进行机构拓扑设计时,需要寻求一种方法以直观地描述机构在直角坐标系下的运动特征；故在直角坐标系、齐次坐标、现有的拓扑理论基础上,提出“齐次方位输出特征矩阵”法,简称“齐次特征阵”,用变量描述机构的运动副特性,用常量描述构件之间的坐标转换,以直观地描述机构在直角坐标系下运动特征、拓展拓扑设计方法的运用范围。“齐次方位输出特征矩阵”和拓扑理论中方位特征输出矩阵一样,不描述奇异位形。　　 提出一种运用齐次特征阵进行并联机构设计的新方法,并据此设计出四款并联双自由度转动机构,分别为RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ、RGRR-Ⅲ和RGGR(机器人手腕结构)。其中RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ、RGRR-Ⅲ三款并联双自由度转动机构现在国内外检索中未见报道。RGRR并联机构有望催生许多新装备,具有广阔的运用前景,运用这技术申请并得到授权专利多项(见附录),其中发明专利共轭球心三轴转动装置和实用新型专利灵巧回转多轴工作台的使用权已经转让给扬州保来得科技实业有限公司。　　 分析研究RGRR机构的特点。分别研究RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ和RGRR-Ⅲ的运动学,得出RGRR-Ⅰ可以实现绕固定坐标系z轴的摆动,幅度为-90°-90°,以及绕摆动轴x1轴的360°的转动；RGRR-Ⅱ、RGRR-Ⅲ型并联机构可以实现绕固定坐标系z轴360°的转动,以及绕旋转轴y1轴做-90°-+90°的摆动。这三款并联双自由度转动机构均有活动构件少(仅三个活动构件)、工作空间/机构尺寸比大、机构耦合度为零、无奇异位形等优点。在上述工作的基础上,分析RGRR-Ⅰ、RGGR(机器人手腕结构)的区别,得出RGRR-Ⅰ比RGGR具有更高的刚度、更好的适用性。　　 运用RGRR-Ⅰ制造了并联双自由度回转工作台和并联摆动刀头这两种机床部件,并进行了相关的测试与分析,得出RGRR-Ⅰ并联双自由度机构具有高刚度的优点。　　 对混联机器人的相关问题进行了研究。研究RGRR机构组成混联6R、5RP机器人的构型；提出一种混联机器人求解的新方法,即通过建立少自由度并联机构的运动坐标参数与机构运动输入参数之间的关系,把混联机器人的求解转化为各关节的求解和运动坐标参数之间的串联求解,这样可以简化求解过程,运用此方法对RGRR-Ⅰ构造的混联6R机器人、5RP机器人的运动学进行了分析,并分别得到它们的正、反解。在仿生机器人设计中,提出一种研究方法“重要性/权重法”以作为所仿生物关节简化的依据。由于多年的进化,生物各关节的运动一般难以用机械结构完全实现,故在仿生机器人的设计过程中,须抓住生物系统的一些基本行为特征,保持生物系统和人造系统在基本原理上的一致,为此,应该依据所仿生物各运动关节的主要功能的权重次序作为简化各关节运动的依据；运用此方法,以机器狗为研究对象,将生物狗各运动关节的重要性进行排序,分别用RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ以及单自由度转动关节设计机器狗的各关节,设计出24自由度的混联机器狗。