随着先进制造、纳米科技、微生物工程和航空航天等顶尖领域的不断进步，定位装置中作为载体的传统并联机构逐渐发展到柔性机构及基于优化设计的全柔顺并联机构。研究者对结构设计中改善其性能和节省成本方面的需求和要求也越来越高。但由于柔顺并联机构的特殊性，随着其应用领域的不断扩大，使柔顺并联机构构型设计结果和设计方法受到了新的挑战。本文主要基于融合了并联机构和柔顺机构的特点并引入拓扑优化设计理论，对实现沿X、Y轴移动和绕Z轴转动的全柔顺并联机构进行最佳、最省材的构型设计。　　全柔顺并联机构在作用的外载荷下，关节自变形将势能转为局部或完全的运动或能量的输出形式，该机构融合了传统并联机构和柔顺机构的特性而被国内外研究者所看好，已在微纳精密制造、精密定位技术、微电子技术和航空航天技术等领域被研究者们所研究和应用。拓扑优化在工程结构设计中较为热门的研究内容之一,它的关键在于构造合理的优化模型并选取合适的优化算法。本文主要对水平集算法做了系统的研究，并基于水平集法拓扑优化设计3-DOF全柔顺并联机构构型设计，该机构属多输入输出并联机构。此外，还对常用的材料插值模型如固体各向同性材料惩罚模型（Solid Isotropic Microstructures with Penalization）和材料属性有理近似模型（Rational Approximation of Material Properties）进行了公式推导和分析。优化算法是优化技术核心关键所在，本文对优化准则法（Optimality Criteria Method）和移动渐近线法（Moving Asymptotes Method）进行了系统阐述和算例分析。　　本文根据并联机构运动学、连续体结构拓扑优化和拓扑优化理论的研究，结合有限元仿真分析软件OptiStruct，设计的二平移一转动全柔顺并联机构构型符合产品性能要求。主要内容为：　　（1）、依据旋量原理构建能沿X、Y轴平动和和绕Z轴旋转的传统并联机构，基于矢量同构对应原理算出对应全柔顺并联机构的微分Jacob雅克比矩阵，并运用到水平集优化模型。　　（2）、基于水平集拓扑优化方法和多输入多输出微分雅克比矩阵等构建进行最小化静态柔度（Compliance）和最大化动态平均共振频率为优化目标，结构体积比为约束的水平集优化模型。运用OptiStruct分别求解出静、动态的优化构型，通过优化前后的应力分布、柔度值和前六阶振动固有频率仿真对比研究表明：该优化后的构型应力分布更加均匀、柔度明显降低及低阶固有频率大大的提高。　　（3）、基于OptiStruct的静、动态拓扑优化并跟踪分析其设计灵敏度，该技术在多个设计参数的结构优化设计中能精确寻找最具影响目标函数的设计参数，该方法有重要的研究意义。　　（4）、借助OptiStruct分别对静态拓扑优化构型静力学和模态分析。对静态拓扑优化构型进行了微运动仿真分析可得，机构在沿X、Y轴移动和绕Z轴转动均达到微米级，且与传统并联机构具有微运动一致性。　　拓扑优化理论引入工程结构优化领域是一种新型的设计方法，该研究为实际工程应用中对机构乃至建筑工程结构的优化设计提供了理论依据和方法。它为单目标和多目标拓扑优化理论的发展奠定了理论基础，为全柔顺并联机构构型优选提供了高效的设计方法。