刚体机构设计过程一般分为目标机构的功能及拓扑要求定义、构型综合及尺度综合3个步骤。其中构型综合过程用于设计机构的拓扑,已形成一系列理论方法。但现有大多数构型综合方法都是按照一定数学逻辑规则推理、遍历、筛选的方法,设计者要具备非常丰富的设计经验和较强的数学及机械基础。目前,暂无刚体机构拓扑自动优化设计方法出现。然而,刚体机构拓扑自动优化设计方法研究具有重要意义,该方法不需要设计者具备相关设计经验及基础知识,只需设计者设定功能需求及约束条件,系统便可自动优化得出合理的设计方案,能够节省人力财力且能缩减机构设计周期。但在建立刚体机构拓扑优化模型时,由于存在大范围刚体的运动,优化目标和约束条件存在动态性,导致优化模型的建立存在困难;同时,目标函数与拓扑变量非显示的函数关系为高效优化算法的设计带来挑战。要形成成熟的刚体机构拓扑自动优化设计方法仍需投入大量的工作并进行深入地研究,平面微位移放大机构和空间三平动机构的运动类型较为特殊,有望率先实现其拓扑自动优化设计。因此,本文分别以平面微位移放大机构和空间三平动机构拓扑为优化设计目标,建立了拓扑优化模型,设计了高效的优化求解算法,获得了多种初步满足设计要求的机构拓扑。同时,建立了运动学分析校验算法,剔除不合理拓扑。然后分析了新型机构拓扑的运动学特性并搭建实验样机,实验结果验证了本文提出的拓扑优化方法的正确性和有效性。最后,开发拓扑优化软件,辅助没有机构设计经验的人员完成新型机构的设计。利用此软件,已得到多种新型微位移放大机构及空间三平动机构拓扑。本文的主要研究内容及成果包括以下几个部分:1、分别建立了平面微位移放大机构和空间三平动机构拓扑优化模型。对于平面微位移放大机构,在动态优化目标和约束条件的处理上,通过对偶关系将其转换为相应的平面静定桁架拓扑优化目标和约束条件。对于空间三平动机构,在平面桁架拓扑优化的基结构法的基础上,构建基于空间多面体的空间基结构,建立了相应的拓扑优化模型。在动态优化目标处理上,将中间拓扑的瞬时运动类型作为评价指标来初步评估此中间拓扑是否满足设计要求,来简化优化目标的定义。约束条件也仅针对基结构的初始位姿,因此也得到简化,提升了计算效率。2、研究了刚体机构拓扑优化模型的优化求解算法。针对平面微位移放大机构拓扑优化的核心,即平面静定桁架拓扑优化,本文提出了逐步添加与阿苏尔杆组中的DYAD杆组相对偶的特殊结构的新方法。相对于传统桁架拓扑优化的基结构法,本文的方法解决问题的规模更大,同时具有更高的计算效率。针对空间三平动机构拓扑优化,提出了适用于不同复杂程度基结构的算法。对于相对简单的空间基结构,提出了具有更高计算效率的基于枚举法的空间刚体机构拓扑搜索算法。对于相对复杂的空间基结构,提出了计算效率更高的基于遗传算法的空间刚体机构拓扑优化算法。通过执行两种不同算法程序,得到了不同的新型空间三平动机构。3、分析校验了优化所得刚体机构拓扑运动学特性。对于平面微位移放大机构,基于运动学雅可比模块化建模方法,建立了平面刚体机构拓扑运动学自动分析方法。通过执行算法程序,可自动确定机构在运动范围内是否存在死点,同时可得到机构的放大比是否满足设计要求。对于优化所得的两种新型空间三平动机构,对其全周自由度进行严格地数学证明,对其运动学特性进行分析,并在分析结果的基础上搭建实验样机,验证了优化模型、求解算法及运动学分析的正确性。4、开发了刚体机构拓扑优化软件。为辅助不具备机构设计经验的人员进行机构设计,开发了两种运动类型的刚体机构拓扑优化软件,并对软件的系统架构以及操作方法进行详细介绍。同时在开发软件时,预留出相应接口,以便后续添加其他运动类型的刚体机构拓扑优化模块。在机构学设计领域,本文提出的方法能够实现平面微位移放大机构及空间三平动机构拓扑自动优化设计,所开发的软件能够辅助没有机构设计经验的人员完成满足设计要求的新型机构的设计。本文为此二类机构拓扑自动优化设计提供了理论基础、优化方法及优化软件,在刚体机构拓扑自动优化设计领域取得了相应的进展和突破。