钢铁工业是自动化程度较高的流程工业之一,工业机器人已成为欧美国家钢铁生产线的主流配置。近年我国部分钢铁企业也在炼钢、轧制等关键工序开始应用工业机器人。特钢棒材精整作业包含拆捆、打捆、修磨、贴标、称重等作业工序,具有转运频繁、环境恶劣、劳动繁重、安全风险高等特点,迫切需要推动作业岗位机器人化及无人化,以满足特钢企业安全、高质、高效的生产需求。修磨作为特钢精整现场的关键工序,可消除产品缺陷,提升产品附加值。现有磨抛装备大多采用串联机构,主要适用于金属去除量小的柔性打磨抛光任务,制约着特种钢材智能化修磨向高精度、大荷重的方向发展。本文依据特钢棒材精整现场人工双臂修磨方式,设计了一种仿人上肢的五自由度并联驱动修磨机械臂,对其机构学进行了深入的研究。分析了特钢棒材表面微裂纹缺陷的形貌特征,并根据精整工艺要求确定了修磨机械臂需具备的自由度特性,即三维移动和二维转动。通过研究修磨过程中人体双臂的拓扑结构和运动模式,分析了人工双臂修磨的运动特征。利用仿生学原理设计了仿人体上肢结构的修磨机械臂执行机构和驱动机构构型,综合出两种满足修磨工艺要求的驱动机构。系统分析了全部机构的方位特征集,确定了执行机构运动输入点和对应的运动输入特征。通过设置同轴转动副改善了修磨机械臂的耦合性。基于方位特征方程研究了驱动机构和执行机构的运动匹配性,确定了驱动机构各分支与执行机构的运动匹配关系和所需的拓扑结构条件。设计了五自由度并联驱动修磨机械臂的构型方案和修磨机器人的原理样机。利用齐次变换法建立了修磨机械臂机构的位置反解模型。基于变分几何法在CAD软件中绘制了机构的可达工作空间。对第一驱动分支建立复数方程,求解了其关节和任务空间的映射矩阵,对第二驱动分支的运动学回路向量方程求导,得到了第二驱动分支的雅可比矩阵,通过分析执行机构局部坐标系之间的变换关系并构造矩阵得到了修磨机械臂机构的全雅可比矩阵。基于牛顿迭代法建立了机构的位置正解模型,并通过仿真验证了运动学模型的正确性。通过定义机构的全域位置敏感度系数指标,绘制了一套参数化性能图谱,系统地分析了特定工况下驱动系统分辨率对机构位置分辨能力的影响程度。对修磨机械臂进行力学分析,通过定义错切变换矩阵,简化了第一驱动分支和执行机构之间静态分析过程,求解了修磨机械臂在静态平衡状态下驱动力与输出力之间的映射关系。对驱动机构和执行机构各支链质心的速度和加速度分析,建立了修磨机械臂的动力学模型。利用无量纲雅可比矩阵对修磨机械臂的局域运动学性能进行评价。综合考虑驱动机构和执行机构多分支之间的耦合效应和高维参数设计空间的特点,提出了多分支协同优化策略。分别建立了驱动机构和执行机构的优化设计模型,根据特钢棒材修磨任务的特点提出了四个设计指标,包括工作空间体积指标、全域灵活性指标、全域刚度指标和匹配性指标。绘制了关于上述指标的性能图谱,分析了各指标和不同尺寸之间的关系,得到了各驱动分支和执行机构的优质尺度域,计算出修磨机械臂全域最优结构参数。本文的研究内容为该修磨机械臂的开发与应用提供理论基础,对扩大并联驱动机构应用范围、推动冶金工业智能化发展具有一定意义。