针对耳石症(眩晕症)的自动化治疗以及航天员和飞行员对前庭功能的检测和训练的需求,在前人所设计的环形方案的基础上,提出了一种新型的4自由度机构,该机构可以实现人的头部在空间上的三维运动,满足运动需求。本文主要研究的内容如下:在机构的结构上设计了三个转动副和一个移动副,相邻转动副在空间上是垂直且相交的,移动副在机构末端,可实现沿动平台垂直方向的移动,这样的设计可以提高旋转座椅在空间运动的灵活性;将机构中的旋转框架1设计为类椭圆形,降低了装置的空间占用量;为满足不同人使用,将旋转座椅设计为空间大小可调式的。利用Grubler-Kutzbach公式计算了机构的自由度;借助D-H方法建立了机构在初始状态下的运动学正逆解解析模型;利用该模型中的位姿矩阵,构造机构速度雅克比矩阵;运用拉格朗日动力学公式建立了机构的动力学模型;最后,在以上基础上,通过算例分析了动平台位姿,速度以及驱动转矩等的变化规律。利用Matlab和Adams软件对机构进行运动学和动力学计算和仿真,做出相应的运动图像;将Matlab中的函数图像与Adams中的仿真图像进行对比,验证推导公式的正确性。运动学和动力学模型为后期系统控制提供了可靠的运动参数。针对机构的结构特点,建立了有限元分析模型。根据实际工作情况,对模型刚度最差的的位姿进行了静力分析;对模型进行了模态分析,提取了前四阶固有频率及振型图。根据静力学和模态分析的结果对旋转框架进行了多目标多尺寸的优化设计。对优化后的模型再次进行有限元分析,结果表明优化后的结构其静动态特性有了明显的改善。利用西门子S7-300PLC对三个伺服电机进行控制,并将控制集成在触摸屏操作面板上,实现装置运行的自动化。以上研究内容为进一步开展对此装置的细化研究奠定了理论基础。