● 摘要
指向机构是借助机构的运动来实现机构末端负载或者传感器的精确指向以及对运动目标的精确跟踪，它在通信、导航、航空等领域有着广泛的应用。随着现代指向装置应用往小尺寸、大负载、高精度方向发展，传统串联框架式指向机构因性能不足已经很难满足应用需求。少自由度并联转动机构因其刚度大、运动惯量小、运动精度高等优点，受到工程应用人员的高度关注。但在机构学领域中，对二自由度并联转动机构的研究尚不全面，现有构型不多，未形成统一的构型设计理论及方法。本文以具有相交转动轴线性质的二自由度并联转动机构为研究对象，结合机构末端平台运动的物理性质（固定转动中心及纯滚转动）来开展机构的构型综合及分析研究工作，并试图建立一套行之有效的综合、分析方法和理论。主要开展了如下研究：
(1) 以旋量理论为数学基础，结合理论力学中约束力恒不做功的思想理念，对图谱法进行再演绎和完善。图谱法的核心思想是运动与约束的对偶理论，其基于旋量互易积理论的发展与经典力学中约束力不做功思想是同质的。从运动学角度来演绎图谱法，有利于加深对机构自由度与约束的理解，有利于建立机构与运动的准确映射关系。此外，在原有线图基础上，进一步提出了驱动副的驱动力线及运动线的概念，有效地建立起了机构构型与实际工程应用之间的联系，可以提高构型综合的效率。
(2) 针对具有固定转动中心性质的二自由度并联转动机构，利用图谱法解析了其所受约束的必要条件；由此总结出了四种行之有效的构型综合实施方法。通过解析现有定转心并联转动机构构型，总结并论证了定转心并联转动机构成立的必要条件是其受到三个空间不共面但共汇交点约束力的作用。为此，在进行综合时，按照机构末端平台约束空间的构成类型分类讨论了四种具体构型实施方法。构型实例结果表明，通过该四种方法可以得到具有多种物理及几何特性的二自由度定转心并联转动机构。
(3) 通过对并联转动机构末端平台约束的几何特性解析，研究提出了一类具有等径球面纯滚性质的二自由度并联转动机构。这类机构具有较强的物理运动特性，可以实现较大的指向范围，但并不具有固定的转动中心。通过对其约束空间的对称性分析，总结出了基于对称支链的等腰三角形构型综合实施方法；并利用该方法构型得到了多种具有无冗余约束的二自由度等径球面纯滚并联转动机构。
(4) 在研究三种典型二自由度转动机构的运动特性过程中，发现了二自由度转动机构做轨道公转时的伴随自转现象，并利用图谱法对该现象的产生原因以及三类转动机构之间伴随自转现象的差异进行了解析。在空间绝对坐标系下对三类典型转动机构（指向环机构、二自由度定转心并联转动机构和二自由度等径球面纯滚并联转动机构）进行运动描述时，仅就其末端平台的中心点进行位置描述是不准确的，因为末端平台自身还存在有一个绕轴自转姿态。这个姿态的产生原因是由于用来描述平台运动的转动轴线并非其瞬时转动轴线；而三类典型转动机构之所以呈现出不同的伴随自转现象，是由三类机构末端平台瞬时轴线不同的变化规律造成的。当这三类转动机构分别用作指向机构时，其末端动平台上的传感会呈现出不同的目标偏差。
(5) 结合特殊应用背景，对具有定转心性质及等径球面纯滚性质的两种二自由度并联转动机构进行了具体设计与实验分析，验证了论文研究工作的正确性。
总之，论文研究内容主要涉及了两类具有特殊物理性质的二自由度并联转动机构，既开展了两类机构构型综合方法的研究，又对机构用作指向应用时的潜在问题进行了探讨。这一工作将为扩展二自由度并联转动机构在精密工程、工业自动化、工业制造等领域的应用提供了有力的理论和技术基础。