高精度传动技术是现代高端精密装备的重要支撑性技术,随着精密机械“跨尺度集成”概念的提出,要求机械传动装置能够在厘米的运动范围内提供微米及以下的运动精度。传统柔顺并联机构由于受到柔性铰链转角范围的限制,仅能提供微米级的工作空间。为了解决这一问题,本文结合国家自然基金项目,开展了大行程柔性铰链及其所构建而成的平面柔顺并联机构的关键技术研究。对大行程柔顺铰链的结构设计、力学建模、性能分析,柔顺并联机构的系统设计、逆运动学建模和闭环轨迹跟踪控制等方面进行了深入分析,实现了平面柔顺并联机构在大范围内的高精度运动。通过对传统交叉簧片柔性铰链的结构形式进行改进,设计了一种变厚度交叉簧片柔性铰链。该柔性铰链融合了传统交叉簧片柔性铰链与切口型柔性铰链的优点,既具有较大的转角范围又提高了簧片式柔性铰链的转动精度和抗轴向扰动能力。采用基于共旋坐标梁单元的有限元方法建立了变厚度交叉簧片柔性铰链在末端载荷作用下的静态变形模型,通过ANSYS仿真和实验方法验证了变形模型的准确性。根据变厚度交叉簧片柔性铰链静态变形模型的计算结果,定义了4个转动性能评价指标,分析了铰链的转动性能与簧片截面系数和铰链几何参数之间的关系。基于形状记忆合金(SMA)材料的超弹性特性,设计了一种新型大行程切口型柔性铰链。采用Brinson本构模型描述了SMA材料超弹性过程中的应力-应变关系,通过单轴拉伸实验获得了SMA材料的本构参数。基于非线性梁理论和Brinson本构模型建立了几何非线性和材料非线性条件下的超弹性柔性铰链的末端变形模型。为了提高变形模型的计算效率,提出了一种线性化本构模型并联合共旋坐标梁单元建立了一种高效的超弹性柔性铰链的静态变形模型。采用有限元分析和实验验证了超弹性柔性铰链变形模型的准确性。通过与普通切口型柔性铰链进行对比证明了超弹性柔性铰链在构造大行程柔顺机构上的潜力,分析了超弹性柔性铰链的几何参数、切口形式对其变形特性的影响。为了获得综合转动性能最优的柔性铰链,采用非支配遗传算法NSGA-II对两种大行程柔性铰链的结构参数进行了多目标优化。同时以规则工作空间内的全局条件数为指标对平面3-PRR并联机构的构型参数进行了优化。利用优化得到的大行程柔性铰链的几何参数和并联机构的构型参数,设计并建立了两套大行程3-PRR柔顺并联机构。为了消除变厚度交叉簧片柔性铰链中心偏差对机构末端运动精度的影响,利用机构运动过程中的力位关系建立了考虑柔性铰链转动偏差的柔性逆运动学模型,通过有限元仿真表明该模型能够大幅提高柔顺机构末端平台的位姿预测精度。为了提高直线超声电机(LUSM)位移平台的轨迹跟踪性能提出了一种基于有限时间扰动观测器的积分滑模控制算法(FTDO-ISMC)。该算法能够快速地对直线位移平台中的摩擦、死区和非线性扰动进行抑制,实验表明在FTDOISMC算法控制下,位移平台的轨迹跟踪精度能够达到300nm,为大行程柔顺并联机构实现大范围、高精度的运动提供了基本保障。通过对直线位移平台的精确控制,测试了大行程3-PRR柔顺并联机构的运动分辨率和重复定位精度。为了消除大行程柔顺并联机构运动过程中不确定因素对机构性能的影响,提出了一种基于扰动观测器的逆运动学(DOB-IKM)轨迹跟踪控制策略,采用自适应RBF神经网络在线补偿柔顺并联机构由于制造和装配误差导致的模型失配,通过构造扰动观测器(DOB)抑制系统受到的外扰动。通过对3-PRR柔顺并联机构进行轨迹跟踪实验,验证所设计的轨迹跟踪算法的有效性和大行程柔顺并联机构的运动性能。