本论文在国家自然科学基金(No．50475154)的资助下，结合工程设计背景，建立了机械系统运动方案设计的特征状态空间理论与综合指导算法，得到了复杂混联机械系统的创新设计数学模型。本文首先从机械运动功能特征转换的角度定义了多自由度基本机构单元，归纳总结了常用单自由度与多自由度机构及其机架变异的机构单元，将其运动传递过程转化为运动特征状态的变换，提出阶跃函数作用速度矢量方程特征离散化，并抽象为多自由度基本机构的输入与输出特征矢量，建立了机构单元的运动功能与运动特征变换的定性分析和定量表达方法，由此导出单自由度基本机构单输入多输出和多自由度基本机构多输入多输出，且其输入、输出构件可为定轴或非定轴运动的特征矢量表述及其运动传递特征状态方程。针对复合机构单元的数学建模，提出了运动构件的相对运动特征状态向绝对运动特征转化的功能特征状态分析方法，深入研究了机构单元相关组合特征属性与复合运动功能约束关系，依据固结关系确定的特征矢量转化因素，将单元机构的特征状态方程与矢量坐标转换关系计算相融合，推导出复合运动固结构件特征状态矢量合成公式，以此提出迭合式复合机构单元建模转化依据，建立附加机构的相对运动特征状态方程向描述绝对运动的特征状态方程的转化过程，并总结出其数学建模的过程模型。定义多个机构单元的串、并、混联等组合方式及其典型组合单元的数学模型，并探讨了组合系统运动变换的内在联系与运动特征间的转换规律，深入分析组合关系的重组计算与功能传递方式等关键问题，利用组合模型理论建立广义特征状态方程，采用分层特征模式并结合定性知识数学建模，抽象出实际的机械系统功能特征的数学模型。构建组合系统运动变换的广义特征状态组合模型来传递输入输出特征属性，表达机构单元及其组合功能特征的拓扑关系。对特征状态空间与混联机械系统之间的映射规则及特征转化规律进行探讨，确定特征状态空间的结构及其构成元素的性质，进一步讨论对偶矢量间运算规则和度量方式，由此阐明特征状态图理论，并将功能约束通过特征状态空间映射到混联系统综合的求解空间，使得运动方案设计问题转化为特征状态空间中特征状态图的分解与连接匹配问题，在特征状态空间模型的不断分层细化之中，确定解空间的区域，通过特征状态图的计算规则，获得混联机械系统综合可行解(集)。依据建立的数学模型，提出了相应的设计知识转换方法，建立合理的数据存储结构与知识库的组织管理，包括基本单元信息的存储、提取操作及数据流间的复杂关系，结合组合关系的逻辑计算规则，提出方案设计综合求解的可自动计算算法，完成状态变换矩阵中类型、方向及特征属性值的自动分解，由此实现机械运动方案设计系统的开发。将本文提出的特征状态空间理论及设计空间的转换求解思想应用于生产实际中，产生设计实例的自动求解多方案，验证了该设计理论的正确性与综合方法的有效可行。至此完成数学建模形式、定量算法操作和设计指导理论的有机结合，开辟混联机械系统的自动方案设计的新途径。