在并联机构学理论研究体系中,寻找沟通拓扑结构模型与参数模型之间以及衔接参数模型之间的数学工具,进而实现在同一数学框架下对并联机构进行参数一体化分析的构想,到目前为止尚未得到实现。本文在国家自然科学基金面上项目的支持下,针对一种并联髋关节试验机进行了一体化研究,初步构建了参数一体化分析理论体系,完成的主要工作和取得的研究结论归纳如下:(1)基于有限元基本理论中的刚体有限元理论及柔性有限元理论,建立了拓扑结构模型与参数模型之间在物理意义范畴内的联系,从而形成了试验机参数一体化分析理论框架。在参数一体化理论体系下,通过建立运动学参数模型,对并联髋关节试验机的逆/正运动学进行了分析,同时根据ISO14242-1:2002(E)推荐的人体正常行走时髋关节角度变化近似规律进行了运动曲线重构得到试验机的工作任务曲线,并基于任务曲线对逆/正运动学模型进行数值分析,同时基于运动学软件构建了虚拟样机实验平台对试验机的运动学进行虚拟实验,从而对运动学参数一体化模型的正确性和有效性进行了验证。(2)根据人工髋关节假体试验标准推荐的试验机工作任务曲线,以及试验机的安装及调试条件,确定了并联髋关节试验机三维旋转任务空间;采用蒙特卡洛方法对工作空间进行了求解,提出了一种工作空间边界识别方法,同时提出了一种6面-14点法来判断试验机工作空间是否包含任务空间。基于工作空间、任务空间及低速驱动性能要求对试验机结构参数进行了优化分析,并对优化后的试验机的驱动速度进行了数值分析,结果表明优化后最大驱动速度降低了23.2%,因此低速驱动优化能够改善试验机在运动过程中驱动速度过高的现象,为改善试验机在运动过程中的可控性提供了理论指导。(3)通过运动学参数一体化模型中的梯度向量,建立了并联髋关节试验机的刚度参数一体化模型,并利用一体化刚度模型对并联髋关节试验机任务空间内的刚度进行了数值分析,分析结果显示γ方向刚度明显小于a、β两个方向的刚度,表明并联髋关节试验机的三个转动刚度在工作空间内的分布是各向异性,同时通过搭建虚拟实验台进行了虚拟刚度实验分析,并将其与数值分析结果进行对比,结果显示综合刚度最大相对误差为29.8%,最小相对误差为18.2%,既而对造成误差的多种原因进行了分析,同时虚拟试验结果及数值分析结果均比允许刚度值高1个数量级,表明试验机满足髋关节测试的刚度需求。(4)基于并联髋关节试验机参数一体化模型建立了分岔模型,并根据刚度基本理论模型提出了试验机分岔判断条件,从而建立了试验机的稳定性一体化分析方法。基于稳定性一体化模型对并联髋关节试验机的单参数及双参数分岔特性及稳定性进行了数值分析,结果表明在试验机进入分岔点的失控域后,对近似失控自由度进行控制,可以达到试验机稳定运行的目的,同时针对控制精度对试验机稳定性的影响进行了数值分析,数值结果表明当控制精度从0.001mm提高到0.01mm后,单参数及双参数条件下最大失控域最大分别减小了0.038与0.027,说明随着控制精度的提高,机构可控范围增加。(5)在参数一体化理论框架下,建立了并联髋关节试验机的刚柔耦合弹性动力学模型,并通过弹性动力学模型进行了固有频率及其影响参数进行了数值分析。固有频率数值分析结果显示试验机在任务空间内呈对称分布,其中第1阶固有频率的最小值为2.3Hz,远高于并联髋关节试验机的工作频率,说明试验机在运动过程中不会产生谐振或共振,并利用捶击法对并联髋关节试验机进行了固有频率实验,对数值分析结果进行了验证,同时影响参数数值分析结果表明,试验机对参数H的灵敏度最高,说明中间支链长度对试验机固有频率影响最大,从而为试验机规避共振优化提供了理论指导。(6)在参数一体化理论框架下,建立了基于时空有限元理论的动力学数值解格式,并分析了时空有限元方法的稳定性。利用建立的试验机微分动力学模型及时空有限元数值解格式,对典型控制中的PD控制模型及最优控制模型进行了数值分析,同时建立了联合仿真模型对时空有限元数值分析结果进行了验证。数值分析及联合仿真结果表明,时空有限元方法能够对微分动力学方程进行有效求解,同时表明最优控制方法能够更好的跟踪试验机的运动轨迹,从而为试验机选择最佳控制策略提供了理论依据,并采用最优控制策略对试验机进行控制试验,结果显示并联髋关节试验机的运动轨迹与期望轨迹的误差范围为-1.3°~2.9°,满足髋关节摩擦试验的运动模拟需求。文章最后对论文的工作进行了总结,并对相关的研究技术进行了展望。