概述：
机构学是机械领域的传统基础学科，其主要任务是揭示自然和人造机械的机构组成原理，创造新机构，研究基于特定性能的机构分析与设计理论，为现代机械与机器人的设计、创新和发明提供系统的基础理论和有效实用的方法。因此说，机构学研究是现代机械装备设计的基础和发明创造的源泉，是提高国家制造业水平和国际竞争能力的关键。
从机构学角度看，多自由度联动机构分为串联和并联两大类。目前，主要采用串联机构实现多自由度联动，然而并联机构在高承载、高速和高加速、低成本、结构紧凑、动态特性等综合性能要求高的场合更具优势，尤其是根据需要把少自由度并联机构作为一个单元，与串联机构一起组合为并混联机构，从而兼具串、并联机构二者的优势，则具有更广阔的应用前景。然而，与串联机构相比，并联机构的终端具有非线性强耦合的运动学和动力学特性。要实现并联机构从概念设计到工程应用，首先需要突破机构创新设计、机构运动学和动力学性能分析与评价、以及尺度综合等关键共性基础理论问题，这些基础理论问题是当前领域研究热点，同时也是公认的难题，也是制约并联机构的技术创新和推广应用的瓶颈。
研究项目：
国家自然科学基金项目，项目名称：基于传递、约束和输出特性的并联机构性能评价体系及应用
国家973计划项目课题，课题名称：推进系统的高刚度设计及振动能量耗吸机理。
国家自然科学基金重点项目，名称：少自由度并联机构的创新和系统集成设计。
国家自然科学基金项目，名称：高灵活度虚拟中心并联机构设计理论与应用。
国家自然科学基金项目，名称：并联机构性能评价新指标及其应用研究。
国家自然科学基金项目，名称：机器人机构优化设计新方法理论体系及关键技术研究。
国家863计划项目，名称：高灵活性新型并联机器人机构及其运动品质设计和实验研究。
研究成果：
获奖：
2013年，并联机器人机构拓扑与尺度设计理论，获得国家自然科学二等奖。
2011年，“并联机构的现代分析与设计理论”，获得教育部高等学校科学研究自然科学奖二等奖。
论文：
SCI：64篇；EI：43篇。
代表性论文：
Fugui Xie, Xin-Jun Liu, Zheng You, Jinsong Wang, Type synthesis of 2T1R-type parallel kinematic mechanisms and the application in manufacturing, Robotics and Computer- Integrated Manufacturing, Vol.30, No.1, pp.1-10, 2014.
Fugui Xie, Xin-Jun Liu and Tiemin Li, Type synthesis and typical application of 1T2R-type parallel robotic mechanisms, Mathematical Problems in Engineering, vol. 2013, Article ID 206181, 12 pages, 2013. doi:10.1155/2013/206181.
Xin-Jun Liu , Chao Wu, and Jinsong Wang, A new approach for singularity analysis and closeness measurement to singularities of parallel manipulators, Journal of Mechanisms and Robotics -Transactions of the ASME, Vol. 4, 041001-1~041001-10, Nov. 2012.
Fugui Xie, Xin-Jun Liu, Jinsong Wang, A 3-DOF parallel manufacturing module and its kinematic optimization, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol. 28, No.3, pp.334–343, 2012.
Fugui Xie, Xin-Jun Liu and Jinsong Wang, Performance evaluation of redundant parallel manipulators assimilating motion/force transmissibility, International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 8, No. 5, 113-124, 2011.
XinJun Liu, Jing Wang, WeiYang Yu and JinHua Wu, Analysis and optimum design of rider-bicycle mechanisms: Design of bicycle parameters for a specified rider, SCIENCE CHINA Technological Sciences, Vol.54, No.11, pp.3027-3034, 2011.
LIU XinJun, LI ZhiDong and CHEN Xiang, A new solution for topology optimization problems with multiple loads: The guide-weight method, SCIENCE CHINA Technological Sciences, Vol.54 No.6, pp.1505–1514, 2011.
XIE FuGui, LIU XinJun, ZHANG Hui & WANG JinSong, Design and experimental study of the SPKM165, a five-axis serial-parallel kinematic milling machine, SCIENCE CHINA Technological Sciences, Vol.54 No.5, pp.1193–1205, 2011.
Chao Wu, Xin-Jun Liu, Li-Ping Wang, Jinsong Wang, Dimension optimization of an orientation fine-tuning manipulator for segment assembly robots in shield tunneling machines, Automation in Construction, Vol.20, No.4, pp.353-359, 2011.
Jinsong Wang, Chao Wu, and Xin-Jun Liu, Performance evaluation of parallel manipulators: Motion/force transmissibility and its index, Mechanism and Machine Theory, Vol.45, No.10, pp.1462-1476, 2010.
Xin-Jun Liu, Li-Ping Wang, Fugui Xie, and Ilian A. Bonev, Design of a three-axis articulated tool head with parallel kinematics achieving desired motion/force transmission characteristics, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering -Transactions of the ASME, Vol.132, No.2, 021009 (8 pages), 2010.
Chao Wu, Xin-Jun Liu, Liping Wang, and Jinsong Wang, Optimal design of spherical 5R parallel manipulators considering the motion/force transmissibility, ASME Journal of Mechanical Design-Transactions of the ASME, Vol.132, No. 3, 031002 (10 pages), 2010.
WANG Jinsong, LIU XinJun, and WU Chao, Optimal design of a new spatial 3-DOF parallel robot with respect to a frame-free index, Science in China Series E-Technological Sciences, Vol.52, No.4, pp.986-999, 2009.
Xin-Jun Liu, Jinsong Wang, Chao Wu and Jongwon Kim, A new family of spatial 3-DOF parallel manipulators with two translational and one rotational DOFs , Robotica, Vol. 27, No. 2, pp. 241-247, 2009.
Xin-Jun Liu and Ilian A. Bonev, Orientation capability, error analysis, and dimensional optimization of two articulated tool heads with parallel kinematics, Journal of Manufacturing Science and Engineering –Transactions of the ASME, Vol. 130, No.1, Article Number: 011015, 2008.
Xin-Jun Liu and Jinsong Wang, A new methodology for optimal kinematic design of parallel mechanisms, Mechanism and Machine Theory, Vol.42, No.9, pp.1210-1224, 2007.
Xin-Jun Liu, Jinsong Wang and Günter Pritschow, Kinematics, singularity and workspace of planar 5R symmetrical parallel mechanisms, Mechanism and Machine Theory, Vol.41, No.2, pp.145-169, 2006.
Xin-Jun Liu, Jinsong Wang and Günter Pritschow, Performance atlases and optimum design of planar 5R symmetrical parallel mechanisms, Mechanism and Machine Theory, Vol.41, No.2, pp.119-144, 2006.
专利：
发明专利：48项。
代表性专利：
刘辛军，谢福贵，王立平，尤政，一种可实现SCARA运动的四自由度单动平台并联机构，中国发明专利，申请号：201210435375.1，申请日：2012.11.2。
谢福贵，刘辛军，王立平，尤政，一种可实现三平动一转动的四自由度单动平台并联机构，中国发明专利，申请号：201210434482.2，申请日2012.11.2。
谢福贵，刘辛军，汪劲松，尤政，一种三移一转四自由度空间并联机构，中国发明专利，申请号：201210433892.5，申请日：2012.11.2。
谢福贵，刘辛军，汪劲松，一种具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头，中国发明专利，申请号：201210135604.8，申请日：2012.5.4。
谢福贵，刘辛军，苏铮，王立平，汪劲松，一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构，中国发明专利，申请号：201210135821.7，申请日：2012.5.4。
刘辛军，苏铮，陈禹臻，陈祥，汪劲松，一种四自由度双动平台并联机构，中国发明专利，申请号：201210118610.2，申请日：2012.4.23。
刘辛军，王立平，陈祥，谢福贵，一种三移动一转动的四自由度双动平台并联机构，申请号：201210119221.1，申请日：2012.4.23。
刘辛军，汪劲松，谢福贵，一种驱动冗余三自由度并联机构，中国发明专利，申请号：201010165567.6，授权日：2012.2.22。
刘辛军，汪劲松，李枝东，谢福贵，一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构，中国发明专利，专利号：200910079838.3，授权日：2010.11.03。
刘辛军，汪劲松，谢福贵，一种多轴联动混联装置，中国发明专利，专利号：ZL 200810113768.4，授权日：2010.1.13。
汪劲松，刘辛军，王立平，郝齐，并联式三轴主轴头结构，中国发明专利，专利号：ZL 200810104938.2，授权日：2010.1.22。
刘辛军，汪劲松，谢福贵，一种运动解耦并联式A/B轴主轴头结构，中国发明专利，专利号：ZL 200810106395.8，授权日：2010.6.16。
刘辛军，汪劲松，吴超，一种多轴联动混联机床，中国发明专利，专利号：ZL 200810104937.8，授权日：2010.6.2。
刘辛军，汪劲松，吴超，王立平，一种并联式A/B轴主轴头结构，中国发明专利，ZL 200710062854.2，2009.3.4。
刘辛军，汪劲松，吴超，张辉，段广洪，运动解耦的空间三自由度并联机构，中国发明专利， ZL 200710063054.2，2009.1.14。
刘辛军，汪劲松，吴超，王立平，李铁民，一种并联式三轴主轴头结构，中国发明专利，专利号：ZL200610165571.6，授权日：2010.5.19。
理论成果
多年来，清华大学制造工程研究所先进制造装备研究团队围绕现代并联机构分析及设计理论这一核心问题，系统地开展了并联机构构型设计理论、运动学和动力学性能分析与评价方法、多参数尺度综合(参数优化设计)方法及其共性基础理论的研究，研究体系结构图如图1所示。取得了如下重要理论成果：
图1
建立了“面向工程应用的新型并联机构构型设计方法”
机构构型是装备创新的原始基础，构型创新是自主创新的根本。并联装备作为制造装备体系的一个结构单元或者功能部件是并联机构具有广阔发展前景的一个方向。因此，面向工程应用，高性能少自由度尤其是3自由度并联机构的创新具有很重要的学科发展和工程应用意义。然而，空间多闭环、少自由度并联机构由于可实现运动与约束运动、驱动力与约束力的强耦合特性，增加了此类机构的创新难度，尤其是面向工程应用的构型创新是困扰机构学术界很多年的世界性难题。
平行四边形机构具有特殊的运动学特性，即在运动的过程中，两相对杆件的姿态始终是一致的。我们的研究发现，这个特性可以用来解决并联机构学构型设计的两个疑难问题：一是解决困惑已久的UU(U表示万向或者虎克铰链)运动链的运动学奇异问题；二是改善并联机构动平台的摆角能力。基于此，项目组最初提出了如图2所示的3自由度并联机构，该机构的第三个支链中含有一个平行四边形机构单元，使机构在做转动运动时，只有单自由度运动副参与运动，从而使动平台能够实现很大的摆角能力(高达±50°)。图2所示机构的提出填补了领域内的两个空白：具有2个移动和1个转动运动的空间并联机构和高摆角能力的完全并联机构构型。在该机构研究的基础上，提出了“基于平行四边形机构单元的并联机构构型设计方法”。
通过进一步研究平行四边形机构给并联机构带来的优缺点，设计出了其它多种并联机构的构型，例如根据平行四边形机构输出杆件的姿态不变性，联想到移动副也具有类似特性，从而提出了3-PPS类并联机构(如图3所示)的设计方法。另外，考虑到平行四边形机构增加了加工制造难度，提出了用RC支链来代替R(Pa)R的设计方法，从而设计了更加简单的并联机构(图4所示机构是其中一个例子)。基于球面5连杆机构的原理，衍生设计了多种3自由度和2自由度的并联式主轴头机构(其中一个机构如图5所示)。
提出了“面向实际设计与应用的并联机构运动学性能分析与评价方法”
从一开始，并联机构沿用了串联机器人机构的性能分析方法和评价体系。然而，与没有被动运动副和杆件的串联机器人机构不同，作为其性能互补作用的并联机构有多个被动运动副和杆件，其本质特性内涵更加复杂，性能分布具有全局不稳定性，因此，与串联机构相比，并联机构的性能分析更加困难。 工作空间定义及设计应用：工作空间包括位置工作空间和姿态工作空间，是定义全局性能指标的基础。工作空间又分为可达工作空间和灵巧工作空间，也是被研究的最广泛的两类工作空间，然而这两种工作空间内部存在奇异，从而不能用于机构的设计阶段。针对此类问题，从工程设计和应用出发，定义了同一机构不同工作模式的奇异形位、可用工作空间（Usable workspace）和优质工作空间（Good-condition workspace），并用在机构的性能分析和机构设计中，取得了良好的实际设计效果。
提出多个具有普遍意义的定义和定理：在并联机构性能研究过程中，提出了多个在性能分析和设计阶段具有普遍意义的定义和定理，比如定义：相似机构和基本相似机构。比如定理：尺寸相似的机构其性能也是相似的；相似机构的工作空间是基本相似机构工作空间的Dd倍(d表示工作空间的维数)；如果基本相似机构的性能是最佳的，那么其对应的所有相似机构的性能都是最佳的。这些定义和定理的提出，极大地简化了机构的设计过程、提高了机构的设计效率。
综合考虑运动和力传递特性的并联机构性能分析理论、评价体系及设计思想：提出了综合评价并联机构运动和力传递特性以及按照该性能设计并联机构的思想，提出的新指标与坐标系无关、物理意义明确，使不同机构构型之间性能比较成为可能（如图6所示），为机构构型优选提供一条有效途径，丰富了并联机构的设计理论。
图6 基于运动和力传递特性指标的不同机构的性能比较
建立了“并联机构线性化动力学建模及其简化方法和动力学性能评价方法”
并联机构动力学模型的高度非线性、耦合性和复杂性，增加了动力学参数辨识的难度，也使其很难适用于实际的控制系统中，因此并联机构的动力学建模方法及其模型的简化一直是领域内研究的热点和亟待解决的难题。
并联机构准确的动力学模型是对并联装备精确控制、动态设计及运动仿真的前提，动力学模型的精度影响动力学控制效果。基于虚功原理，提出了适用于冗余驱动和非冗余并联机构线性化动力学建模方法，为并联机构动力学参数辨识奠定了基础。该方法不仅适合于建立非冗余并联机构的线性化动力学模型，而且可以建立冗余驱动并联机构的线性化动力学模型。
并联机构动力学模型的耦合性和复杂性，使其很难适用于实际的控制系统，必须在保证动力学模型精度下降较小的情况下，对模型进行简化，以满足系统实时性要求。我们将动力学模型细分为18项，并将并联机构运动分为低速、中速和高速运动，然后根据各分项表示的动力学特性，在低速、中速和高速运动时分别确定简化策略。该研究对于实现并联机构高速高精度运动具有重要意义。
动力学性能是评价机构高速特性和加减速特性的重要技术指标。基于动力学模型中的惯性矩阵，提出了评价并联机构动力学性能的局域和全域评价指标。基于此评价指标，提出一种优化设计方法，在优化设计过程中就考虑动力学特性，以期实现并联机构的高加速度等动力学性能，对并联机构的优化设计及实用化具有一定贡献。
建立了“基于性能图谱和优质尺度域的机构尺寸参数优化设计方法”
并联机构性能对杆件尺寸具有极大依赖性。虽然并联机构是国内外机构学领域一个很重要的研究热点，但是由于它结构复杂，对其分析方面的研究比较多，而设计方面的研究相对比较少，应该说，如何正确设计使装备满足预期要求的性能，尚缺少一套合理的理论和方法。
二十世纪80年代，东北重型机械学院杨基厚教授在研究四杆机构的过程中提出了“空间模型理论”的概念，高峰教授进一步把该理论引入到具有转动驱动输入的并联机构中。针对并联机构输入方式的多样性，我们提出了依据特征参数（如雅克比矩阵）来辨识机构设计参数的方法，进一步拓展了空间模型理
论的应用范围，使其能够适用于任意驱动方式的并联机构。基于此，较完善而系统地提出了一种“基于性能图谱和优质尺度域”的机构尺度综合方法(流程图如图7所示)。这种方法具有以下特点：①性能指标与性能图谱一一对应；②易于实现多性能指标需求的尺度综合；③设计结果是一个域，即优质尺度域；④设计更具选择性，符合工程设计的需要。该设计思想不仅适用于并联机构及其装备，也可以拓展应用到其它具有线性尺寸参数的领域，对机械学科的发展具有一定贡献。
图7 基于性能图谱和优质尺度域的机构尺度综合方法流程图