由于转动运动本身的特点——与转动轴线的方向和位置都有关系,使得设计具有转动自由度的并联机构比起设计纯移动并联机构要更加复杂,因此设计具有转动自由度,特别是具有多个转动自由度的并联机构一直是机构学构型综合的关注点之一。针对具有多个转动自由度的并联机构在实际应用中所存在的一些问题,本文从两个方面展开研究：一是研究具有大转角转动能力的并联机构；二是研究具有虚拟转动中心(Virtual center of motion,简称VCM)的并联机构。针对动平台转动时易与支链发生干涉,导致并联机构的转动角度普遍偏小的问题,提出通过设计新型的铰接动平台的方法来提高并联机构的转动能力。为此,本文提出了含有铰接动平台的并联机构的一般拓扑布局,并给出了相对应的一种基于位移子群／子流形的构型综合方法。按照该方法,综合设计了一类含有螺旋副且可进行两自由度或三自由度大转角转动的并联机构。提出了一种新型的具有两转动自由度的铰接动平台。按照运动学部分解耦的原则以及所提出的构型综合方法,综合设计了一类2R2T(R表示转动自由度,T表示移动自由度)和2R3T并联机构。提出采用五杆机构同时驱动某条支链上与基座相邻的两个运动副的方法,以解决2R3T并联机构因采用四条支链的布局所带来的问题。分析了某一2R3T并联机构的运动学和工作空间。通过奇异和干涉的相关分析,证明该2R3T并联机构在借助冗余驱动后,可实现两个自由度的大转角转动,能够满足并联机床或多轴3D打印的应用要求。提出了两类具有不同结构的三转动自由度铰接动平台。按照类似的方法,分别综合出了两类3R2T和3R3T并联机构。以每类中的一种3R3T并联机构为实例,详细地阐述了如何利用旋量理论对含有铰接动平台的并联机构进行运动学分析。基于旋量和李群理论,还讨论了逆／正运动学奇异、约束奇异、运动奇异等所对应的奇异位形。通过总结速度分析和奇异分析的相关结论,借助传递旋量的概念,提出了一种可用于求解含有铰接动平台的并联机构的雅可比矩阵的方法。其后,给出了具体的数值实例。结果表明两类并联机构在冗余驱动的条件下,可完成三个自由度的大转角转动,可以胜任复杂装配或拾取等操作任务的应用要求。针对辅助医疗超声波成像的应用要求,设计了一种新型的6自由度混联的并联VCM机构。提出通过使用含有平行四边形的等效球铰,使之前所设计的含有螺旋副的并联机构具有VCM特性。针对现有踝关节康复机器人所存在的问题,设计了一类新型的三转动自由度并联VCM机构。相比现有的一些并联康复机构,提出的并联VCM机构可以保证机构的转动中心与踝关节的转动中心相重合。结合踝关节康复的应用要求,提出了一种冗余驱动的布置方案。分析了其中三种构型的运动学,并着重比较了冗余驱动前后,灵巧度、奇异、刚度以及动力学等性能的变化。分析结果表明,冗余驱动对于保证该类机构具有良好的运动以及动力学性能是完全必要和有效的。提出通过基于Pareto的多目标优化算法求解并联VCM机构的尺度综合问题。首先介绍了多目标优化问题的一般数学模型和求解方法。针对现有的多目标差分进化算法(Differential evolution,简称DE)所存在的一些问题,提出了一种改进的多目标DE算法。归纳了某一踝关节康复并联VCM机构的多目标优化模型,涉及到占用空间、输入／输出传递性能、输出力矩等四个目标函数,以及囊括了几何尺寸、干涉、运动学和工作空间等四个方面的约束条件。由于该并联VCM机构为冗余驱动,因此定义了一种新的输出传递指标。为处理并联机构的多种约束条件,提出了一种特别的罚函数机制。针对不同的优化算法,进行了数值优化计算,得到了该多目标优化模型的最优解。计算结果也表明了就全局的寻优能力和所获得的非支配解的个数而论,提出的改进的差分进化算法要优于其他所测试的优化算法。使用优化计算所获得的设计参数,建造了踝关节康复机器人的物理样机,并进行了初步实验。实验结果表明物理样机能完成预期的踝关节运动。