机电一体化技术的迅速发展使得机构在实现原理和组成内容等方面有了突破性的进展，发展成为具有更广泛意义的广义执行机构。广义执行机构是由是驱动元件与执行件(或执行机构)组成的可控执行机构，是机电一体化系统的核心。广义执行机构最主要的特点就是可控性，它的输出运动是由机构参数和输入函数共同决定的，改变控制程序就可使同一机构系统实现不同需要的输出运动或改进机构的运动和动力参数，因此广义执行机构具有传统机构无可比拟的优越性和更大的设计空间。由于广义机构的动态性能是多种因素综合作用的结果，因此，广义执行机构的研究必须拓宽视野，立足于现代机构学理念，将动力源特性与原动件统一考虑，甚至融为一体，以充分发挥机电一体化的技术融合优势。广义执行机构中驱动元件与执行机构的机电耦合系统设计理论和方法是充分体现广义机构的优越性使其得到进一步推广应用的关键。 驱动元件和执行机构的种类十分广泛，因此可组成种类繁多的广义机构。其中，驱动元件采用可控电机，执行机构为闭链机构的广义机构是一种具有柔性输出的刚性机构，压电元件是典型的可控机电耦合驱动元件，利用压电元件作为驱动装置，柔性铰链机构作为传动装置是最常用的微机械系统组成方案。这两类广义机构的应用都非常广泛，其机电耦合设计方法和特点的研究具有普遍意义。本文将以这两类广义执行机构为研究对象，对广义执行机构的类型、基本特性、应用及其设计理论和方法展开以下研究： 1、首先从机构学的发展和现代机构学的形成的角度对广义执行机构概念的形成进行了论述，明确了广义执行机构是驱动元件与执行件(或执行机构)的集成体，是机电一体化系统的核心这一深刻内涵。研究了广义执行机构的基本特性和类型。对以可控电机驱动和压电元件驱动的两类广义执行机构的特点和应用进行了重点论述，为后续章节对这两类广义执行机构的研究奠定基础。 2、对混合驱动型和压电驱动型广义执行机构的设计方法进行了研究。论述了驱动元件特性，研究了驱动元件与执行机构的匹配问题。研究了混合驱动机构的运动学和动力学建模方法。针对轨迹生成机构和函数生成机构的不同特点，提出了基于伺服电机能力、工作空间特性和适应生产工艺要求的混合驱动机构运动设计新方法，并将五次多项式用于输入和输出运动函数的分段设计，它可以保证运动函数具有三阶以上的连续性，避免给控制系统带来过度的负担。针对不同的设计已知条件，提出了基于易控性和全局性能最优的混合驱动机构正运动学和逆运动学综合优化设计新方法，提出了能反映混合驱动、运动柔性和全局性能最优三方面要求的核心设计指标和设计约束条件，建立了相应的多目标优化模型。指出对于混合驱动机构这种多变量、高度非线性、强耦合的多目标优化设计问题，遗传算法是一个切实可行的优化方法。 论述了柔性铰链的工作原理，针对柔性机构具有机构和结构二者结合的特点，给出了相应的分析方法，提出了压电驱动的广义执行机构的系统设计方法。 讨论了传感检测子系统和信息处理与控制子系统的设计原则，对机电一体化系统三子系统的集成与融合问题进行了研究，探讨了广义执行机构的机电集成设计理论与方法。 3、以全铰链两自由度五杆机构作为以实现要求轨迹为输出目的混合驱动型广义机构的实例，对其进行了正运动学和逆运动学的运动建模和动力学建模，应用遗传算法对不同设计已知条件的9个设计实例进行了优化计算，并对设计结果进行了仿真。通过对设计结果的讨论，探讨了宏观动态性能与其机构参数、电机参数之间的内在联系，研究了混合驱动机构的运动柔性与跟踪能力之间的辩证关系，指出伺服电机所能提供的运动柔性受其跟踪能力的限制。分析了伺服电机和常速电机的运动情况对整个机构系统性能的影响，指出在选取常速电机的转速时应考虑可控电机的跟踪能力，同时指出在满足输出要求的前提下，通过合理设计伺服电机的运动和两个电机之间的初始相位关系可以达到优化机构动力特性的目的。分析了输入奇异对逆运动学分析造成的影响，并给出了解决方法。 4、以全铰链两自由度七杆机构作为以实现转动函数输出为目的混合驱动型广义机构的实例，研究了双环闭链两自由度机构的可动性条件，对七杆机构进行了正运动学和逆运动学的运动建模和动力学建模，应用遗传算法对不同设计已知条件的5个设计实例进行了优化计算，并对设计结果进行了仿真。通过对设计结果的讨论，验证了五次多项式用于运动函数设计的可行性，分析了混合驱动和运动柔性的技术特征、运动柔性与伺服电机功率需求之间的关系以及如何在混合驱动与运动柔性两者之间进行协调，以实现有效的混合驱动，充分发挥这类新机构潜在优势的目标。 5、以两种含移动副的两自由度七杆机构作为以实现移动函数输出为目的混合驱动型广义机构的实例，研究了移动输出机构的可动性条件，对两种移动输出七杆机构进行了正运动学和逆运动学的运动建模和动力学建模，分析了如冲压机械等类型的实际应用中生产工艺对输出运动的要求，应用遗传算法对两种含移动副的七杆机构在不同的设计已知条件下的6个设计实例进行了优化计算，并对设计结果进行了仿真。通过对设计结果的讨论，分析了系统的动力需求与输入和输出运动之间的内在联系，分析了权重因子及其它设计参数对混合驱动设计结果的影响。 6、以一由压电陶瓷驱动的二级位移放大机构作为以压电驱动的具有集中柔性的广义执行机构的实例，对其进行了设计。对刚体原理模型的建立、柔性机构的结构设计和伪刚体模型的建立等一系列设计问题进行了研究。利用基于伪刚体模型的简化分析方法对微位移放大机构进行了运动分析、受力分析、强度计算和刚度分析，给出了柔性铰链机构刚度系数的计算方法。利用Hyperworks有限元分析软件对微位移放大机构进行了有限元建模和有限元分析。对基于伪刚体模型的简化分析结果和有限元分析的结果进行了比较，分析了二者分析结果产生差异的原因，得出了基于伪刚体模型的简化分析方法的使用原则。分析了柔性铰链参数对机构性能的影响及选用原则。 最后，对本文的研究内容、创新点及主要研究结论进行了总结，对课题的进一步研究作了展望。