随着现代机械逐渐向高速、高精度方向发展,传统刚性铰链装配带来的间隙、冲击、摩擦、润滑等问题越来越突出。为了提高机器的稳定性、精度和寿命,无间隙、无磨损的柔性铰链和柔顺机构越来越多地被运用到微操作机器人、精密光学仪器、航空航天器以及仿生等场合。柔性机构的变形源于柔性单元,而柔性单元的主要表现形式是柔性铰链。而随着典型精密机械“跨尺度集成”概念的提出,要求新型精密驱动与传动装置能够在更大的运动范围内提供超高的定位精度。而以往基于柔性铰链而设计的柔性机构会因为采用柔性铰链的特性差异存在不同的问题,其中传统的缺口型柔性铰链精度高,但是因为应力集中的原因运动行程更小;基于柔性板簧的簧片型柔性铰链因为可以应力分布而实现更大运动范围,但是轴漂没办法得到限制,带来精度低的问题。柔性机构需要在更大的运动范围内提供超高的定位精度,对于柔性铰链而言“大行程”与“小轴漂”之间没办法同时实现的问题,本文基于空间螺旋结构的基础设计了变直径螺旋结构柔性铰链与双螺旋互补型柔性铰链,分别可以实现±90°与±150°的运行范围同时实现对轴漂的限制,实现了高精度,并成功应用于平面三自由度运动平台机构,具体情况如下所述:首先,针对平面结构对传统柔性铰链变形能力的限制,本文设计了一种基于变直径空间螺旋结构的3D打印型柔性铰链,通过对柔性板簧结构的空间布置,突破了空间尺寸对传统平面板簧结构的长度的限制,实现了±90°的大范围转动。基于“∞”形状布置的变直径螺旋设计,有效限制了寄生位移,约束了回转轴心的漂移,提高了运动精度。基于柔性梁理论和弹簧刚度等效方法,进一步建立了描述铰链载荷-转角关系的刚度模型,有限元仿真和基于3D打印的柔性铰链的实验研究,验证了转动范围、转动刚度和中心轴漂,实验结果表明柔性铰链在达到屈服极限之前可以具有±90°的运动范围,并且在整个运动过程轴漂小于0.8mm。其次,为进一步增大柔性铰链的变形范围,降低回转轴心漂移,本文在“∞”形变直径螺旋柔性铰链的基础上,通过螺旋结构的合理布置方式提出了一种双螺旋互补型铰链。通过双螺旋结构变形可以得到更大的变形范围（可以进行±150°旋转角度）;并且通过螺旋结构的互补性实现轴漂的限制,从而满足了高精度的性能要求。通过柔性梁理论模型与相关扭转弹簧的公式,建立了该铰链的转动刚度模型。有限元仿真与相应实验验证了柔性铰链的特性,可以在±150°的运动过程中轴漂限制在0.023mm。最后本文进一步针对双螺旋互补型柔性铰链的一些特性进行研究扩展,可以使得其更好的适应复杂的应用场合。最后,本文将上述两种大变形柔性铰链应用于3-PRR平面并联三自由度运动平台的转动副（R关节）的设计中,探索其在实际柔性机构应用中的性能表现,验证柔性铰链在多轴耦合复杂工况下的变形能力和转动精度。基于理想铰链的假设,建立了3-PRR平面并联三自由度运动平台的运动学模型,包括正姿分析与反姿分析,有限元分析仿真与相应的实验,得到运动平台的工作空间,可以实现半径35mm圆内区域的移动和60°角度的纯转动。通过与现有文献中的平面三自由度运动平台的对比,本文所提出的运动平台结构更加简单,并且在有限的空间区域内具有更大工作空间。