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并联机构具有动态响应好、承载能力高、空间结构紧凑和累积误差小等优点,得到国内外学术界和工业界的广泛关注,因此,它被广泛地应用于快速精确分拣装置、工业机器人、新型数控机床、康复训练装置等。本文以4-RUP_aR并联机构为研究对象,对其性能指标、奇异位置、尺度优化和样机设计四个方面进行研究,主要包括以下4个方面的研究内容。(1)运用螺旋理论,建立4-RUP_aR并联机构的运动/力传递指标和运动/力约束指标模型。基于运动/力传递或约束指标,提出4-RUP_aR并联机构定姿态角下的有效传递位置空间(ETPW)模型和有效约束位置空间(ECPW)模型。运用控制变量法,分析4个结构参数对ETPW的独立影响。运用快速极坐标搜索方法和二分法,可视化定姿态角α或定Z_P值的ETPW和ECPW空间X_PY_P截面边界曲线。性能指标分析数值算例表明,该机构工作空间比较硕大,运动/力传递性能和运动/力约束性能良好。(2)基于速度雅可比矩阵和运动/力传递-约束指标,分别得到机构正/逆运动学奇异和输入/输出奇异。给出两类典型奇异位置简易模型,经分析比较表明,机构正运动学奇异和输入奇异一致,机构逆运动学奇异和输出奇异一致。4-RUP_aR并联机构奇异特性为输入奇异多于输出奇异,因此后续轨迹规划应避免较多输入奇异位置。(3)加入差分变异算子,将教学优化(TLBO)算法改进为性能更优的加速教学优化(ATLBO)算法。运用函数优化实例和机械优化实例,验证ATLBO算法性能优于TLBO算法。运用平面5R并联机构、球面5R并联机构和Z3并联机构的有效传递工作空间(ETW)优化模型,验证基于运动/力传递指标的模型和算法的有效性。运用ATLBO算法求解4-RUP_aR并联机构EPTW最大化模型,得到最优结构参数。通过优化前后机构的有效传递位置空间(ETPW)和规则有效传递工作截面(RETW)对比,得到优化后机构的性能提高。(4)设计机构三维“门“字框轨迹路线,并取9个关键位姿点。运用逆运动学模型,得出相应驱动角参数值。运用ATLBO算法,求解拟合驱动角多项式中未知系数,并得出相应拟合运动学曲线。基于机构理论数据,运用Solidwork三维软件,建立机构动/定平台、主动臂和从动臂三维模型,并指定相应材料。确定机构运动模式、三维装配体模型、转动惯量和输出运动参数后,选定合适伺服电机、减速器和联轴器。运用Adams软件仿真机构轨迹路线,得出运动曲线与理论运动学曲线基本一致。本文研究内容,可完善并联机构的基础理论并指导开发新型并联机构装备,具有重要的理论研究价值和工程应用价值。