由于具有刚度大、积累误差小及精度高等优点,并联机器人从被提出至今已广泛应用于各种特定的加工场合。与传统加工机床相比,使用并联机器人作为加工工具头可在不同位置和姿态下进行加工作业,增加了加工系统的柔性并弥补了传统机床加工的应用局限性。自并联机器人作为加工设备被提出以来,有各种新异的并联机器人被设计制造出来,但并联机器人作为加工机床在实际的应用中却寥寥无几,并联机器人的理论刚度优势并未被发挥出来是造成这种现象的重要的因素之一。为了探究制约并联机器人在实际应用中刚度性能不足的原因,本文聚焦于一类驱动支链为铰链-移动副(驱动副)-铰链形式且用于材料加工的空间并联机器人的刚度建模、刚度设计缺陷辨识模型及刚度设计缺陷修复方法的研究。本文的主要研究内容与创新有:作为刚度若干问题分析的基础,借助旋量理论的通用性,研究了并联机器人运动学、动力学和静力学分析方法:为了在旋量系统中表达末端平台的运动规律,研究了从广义坐标系中求解刚体速度旋量和加速度旋量的方法;根据速度旋量幅值的物理含义,研究了在旋量系统中求解运动学雅克比矩阵的方法;基于提出的虚拟速度旋量概念和Jourdain虚功率原理,提出了一种通用型的动力学建模方法。并联机器人全局静刚度建模方法研究:为了在静刚度模型中尽可能多地考虑影响刚度的各种因素,提出了一种综合考虑驱动刚度、铰链间隙、铰链接触变形和杆件变形的全局静刚度模型;考虑铰链在各个方向上的装配间隙大小,提出了常见铰链的间隙模型;通过赫兹精确接触原理,提出了常见铰链的接触变形模型;在所搭建的铰链间隙模型和接触变形模型上,基于虚功原理研究了受铰链间隙和铰链接触变形影响的并联机器人静刚度模型;分析了以变截面悬臂梁为支链的杆件变形模型,通过虚功原理和卡式第二定理给出了受杆件变形影响下的并联机器人静刚度模型。并联机器人全局动刚度建模方法研究:为了搭建并联机器人的动刚度模型,提出了一种基于旋量理论和凯恩方程且满足驱动力、外部负载、末端平台速率一次项、末端平台速率二次型项和末端平台加速度各自相互独立的动力学建模方法;在提出的动力学模型基础上,研究了考虑各支链刚度和阻尼、铰链间隙、铰链接触变形、外部激励和重力影响的并联机器人标准振动模型建模方法。并联机器人刚度设计缺陷辨识模型与方法研究:为了研究与刚度设计密切相关的各项分析中存在的不足,提出了一种全局刚度设计缺陷辨识模型;为了评判并联机器人全域刚度性能,研究了万向铰的区域约束,得到了并联机器人的全域工作空间;为了区分不同任务类型的并联机器人,研究了并联机器人的任务区分图,为特定任务下忽略并联机器人分析模型中的次要因素提供了依据;研究了能代表实际加工中不同方向刚度性能的刚度指数;结合统计模拟方法并综合考虑影响刚度的不确定性因素,提出了一种辨识并联机器人是否具有刚度设计缺陷及度量刚度设计缺陷严重程度的刚度设计缺陷辨识方法。并联机器人刚度设计缺陷修复方法研究:根据刚度缺陷的严重程度,研究了基于部件综合、尺度综合和构型综合的三种刚度设计缺陷修复方法;针对较小的刚度设计缺陷,提出了一种基于部件综合的去特征化修复方法;针对部件综合不能修复的刚度设计缺陷,提出了一种基于尺度综合和参数图谱理论的修复方法;针对较大刚度设计缺陷,提出了一种基于构型综合及刚度性能对比的修复方法。本文对一类驱动支链为铰链-移动副(驱动副)-铰链形式且用于材料加工的空间并联机器人刚度建模、刚度设计缺陷辨识及刚度设计缺陷修复等问题进行了较为深入系统的研究,解决了并联机器人刚度设计过程中建模方法不通用、模型不准确、辨识结果不可靠、修复方法单一等问题,揭示了机床类并联机器人理论刚度性能和实际刚度性能差异大的部分原因,充实了机床类并联机器人的刚度设计理论体系。