大型透射电镜可实现纳米级分辨率,理想的成像效果都需要高图像分辨率和精确的样品控制。样品控制的机械稳定性也是决定其图像空间分辨率的重要因素。常规的样品台采用串联运动系统,通常由三个线性运动台和一个倾斜运动台组成,刚度较低,且响应时间较慢。并联机器人结构紧凑,具有更高的多轴精度及更快的响应速度,能够实现高刚度和高负载。为了实现高精度的冷冻电子断层数据采集,样品承载要满足高稳定性和高分辨率运动,具有毫米级行程、纳米级分辨率的并联机器人是一个巨大的挑战。针对上述需求,本文研究一种具有小尺寸、大工作空间、高稳定性和高运动分辨率的并联机器人。本文设计了一款新颖的兼容6-P-RR-R-RR和6-PSS两种构型的新颖高精度6-DOF并联机器人,针对并联机器人结构方案,运动学建模与仿真,测试试验等展开了较为系统的研究。首先,本文对并联机器人的构型及整机方案进行了详细的设计。两种构型方案,均将大工作空间作为一项重要设计依据,因此分别设计了偏置铰链和大运动范围柔性铰链。同时所设计的并联机器人采用大运动范围、纳米级精度的压电电机作为驱动器,并将驱动组件安装在固定平台台面上,有效减小整机尺寸,降低运动部件的质量,从而降低对压电电机的驱动力需求。本文对并联机器人的部件结构进行了详细的设计,并对主要部件开展基频、模态振型分析,为后续结构优化设计提供依据。对元器件选型,电气系统方案等进行了详细的介绍。其次,对6-P-RR-R-RR并联机器人进行了建模与仿真分析。其采用了偏置铰链,与传统万向节相比,偏置铰链的旋转轴在空间相互垂直而不相交,能够有效降低转动过程中铰链的干涉风险,能增大了铰链自身工作空间,且承载能力较大,易装调,能够提高机器人的精度、刚度和工作空间。但由于偏置铰链引入了铰链轴的偏置变量,使机器人运动学变得十分复杂。采用串联机构的Denavit-Hartenberg参数方法分析了该并联机器人的正、逆运动学,并采用数值迭代方法进行了求解。同时利用微分变换法对正、逆速度和正、逆加速度进行了成功的分析,奠定了后续动力学分析的基础。本文提供了一个数值算例,利用MATLAB和ADAMS进行联合仿真,验证了运动学模型的正确性。然后,对6-PSS使用柔性铰链的并联机器人进行了建模与仿真分析。使用柔性铰链的并联机器人的运动范围取决于驱动器的行程和柔性铰链的变形。常见柔性铰链不能提供大变形,为了实现多自由度和大行程,本文设计了一种全方位切口和大长径比结构的柔性铰链。此柔性铰链可被视为围绕三个轴旋转的细长空间梁结构,因此使用柔性铰链的并联机器人可视为6-PSS并联机器人。本文从柔度和模态方面对所研究大运动范围柔性铰链进行了研究。通过结构矩阵法建立了整个并联机器人的刚度模型,并给出了逆运动学求解的约束平衡条件。为了满足实时控制的要求,进一步通过伪刚体模型法建立了运动学数学模型,并研究得到大运动范围柔性铰链的近似转动中心。然后基于并联机器人三维模型,通过有限元方法建立刚柔耦合模型,验证了伪刚体模型法所建立的运动学模型的正确性。最后,本文还对所设计的并联机器人开展了初步的试验研究。搭建了试验平台,并利用双频激光干涉仪测试了并联机器人的运动分辨率和重复定位精度等性能指标,验证了逆运动学模型和求解方法的正确性。该课题为具有小尺寸和大工作行程、高刚度、纳米级高精度的并联机器人的研究提供了经验和技术积累。