单环机构是研究并联、混联和冗余驱动机构等多环复杂机构的重要基础。变自由度机构中的运动分岔机构在多功能、多模式操作设备等方面具有广泛的应用前景。近年来研究者针对单环分岔机构提出了一些构型,但仍然缺乏系统的方法。本文针对单环过约束机构构型设计方面展开工作,提出了一种单环过约束机构的设计方法,并应用于单环运动分岔机构。基于螺旋理论和单环机构过约束对自由度的影响,提出了单环过约束机构的分支设计方法。定义了分支参数Lcn。从邻接转动副关节轴线空间关系着手,建立了不同空间邻接关系的备选支链库,并分析了这些分支可以提供的约束螺旋。对分支约束螺旋系进行组合,研究分支组合能够得到的公共约束类型。通过约束螺旋的交集关系,获得不同约束类型、不同杆数、不同配置的单环过约束机构组成方案。基于单环机构自由度特性和单环过约束机构的分支设计方法,分析了提供一个公共力约束的单环6R过约束机构双分支组成方案,提出了能够使双分支提供重合力约束且约束稳定存在的几何条件。基于其中一种保证公共力约束稳定存在的几何条件,设计了新型6R过约束机构。分析了 6R过约束机构的运动螺旋系,并提出了机构的闭环方程。明确了运动分岔机构的原理及设计原则,提出了运动分岔机构的临界瞬时位形,配对关节以及配对触发运动的概念。并结合第2章提出的单环过约束机构的分支设计法,选取L4PIP型4R分支,按照机构双分支提供一个公共力偶约束的几何条件,构建了具有RR配对关节的8R单环运动分岔机构。从机构几何封闭的角度,得到8R运动分岔机构具有两种初始位形下的四个运动分支;从运动分岔机构临界瞬时位形的角度,按照该机构的配对关节触发运动条件是否满足,将机构的运动总结为三种模式,且三种运动模式彼此互斥。基于本文提出的新型8R运动分岔机构设计了一款双足/轮式双模式移动机器人。机器人的步行功能由8R运动分岔机构在非触发运动分支实现。分别选定不同主动关节组合施加不同驱动,对8R机构进行了运动学仿真,验证了对应运动分支机构的自由度等运动学特性,并给出了驱动方案。规划了机器人在双足步行模式的基本步态。通过对8R运动分岔机构进行拓扑拓展,实现了机器人的双模式转换。利用机构的临界瞬时位形的高度优势设计了轮式机器人。兼顾轻量化原则,对机器人机械系统进行了结构设计并解决了双工作模式时机器人的支撑问题。最后,建立了双模式机器人的试验样机。