精确直线机构的设计思想主要有两种：一种是利用几何中的反演变换，把连桿末端的圆弧路径反演为直线，用机械反演器可以完成这一功能；另一种则是通过两个不平行的连桿结构，把路径限制在两个平面的交线。

波塞利耶-利普金机械(Peaucellier–Lipkin linkage)由法国军官查理·尼古拉·波赛利耶(Charles-Nicolas Peaucellier(1832–1913))和约姆·托伍·李普曼·利普金(Yom Tov Lipman Lipkin(1846–1876))于1864年发明。这种机械的设计思想是基于机械反演器把圆弧反演为直线。

这种机械结构的优点是可以实现严格的线段约束，工作原理简单，可以实现直线运动和圆弧运动的正切转换。缺点是占空比较大，活动範围受到桿长的限制而比较小，需要的连桿和铰结构比较多(一共有7条连桿和6个铰结)，因而结构比较複杂，引起可靠性不足。另外，如果有使连桿离开所活动的平面的力，将会使机械结构成为瞬变体系，导致结构强度不符合要求。

萨鲁斯机械(Sarrus linkage)由法国斯特拉斯堡大学教授比埃尔·费雷德里克·萨鲁斯(Pierre Frédéric Sarrus(1798.3.10-1861.11.20))于1853年发明。这种机械的设计思想是，让两组垂直的连桿结构互相约束，使得连桿的共公末端在一平面内活动。

这种机械结构的优点是可以承受任意方向的干扰力而不至于结构受到破坏，因而非常坚固。还可以通过增加连桿结构提高强度，节约空间，活动範围大。缺点是仅仅是一个直线约束，不能实现直线运动和圆弧运动的转换。

相比滑桿和导槽，萨鲁斯机模的滑动摩擦损耗小，因而这是最实用的一种直线机构。

儘管精确直线机构可以替代滑桿和导槽，但在套用中，有需要一段是直线，另一段是曲线的结构。例如用脚行走的机械在着地时要沿着直线，返回时抬脚又需要走曲线。这样的机械很难让直线段严格为直线。但可以做成近似程度非常高的直线，误差小于千分之一。

霍肯机械(Hoeckens Linkage)由卡尔·霍肯(Karl Hoecken(1874-1962))发明，是一种由四条连桿构成的机械结构。连桿的末端在半个周期内走直线，另外半个周期走特殊的弧线。在走直线的半个周期内末端的速度近似恆定。

这是一种非常适用于设计用脚走路的运载工具的机械结构。由于用脚走路踩到地面的範围远少于轮子，而且脚的末端可以设定较大的面积的垫子以减小对地面的压强，平衡路面的高低不平，因而行走于不平坦的路面的运载工具更适合用脚代替轮子。可以猜测古代的木牛流马用了类似的直线机械。

在扑翼机，机器鱼等设计中，相比简单的曲轴和连桿结构，直线机构可以实现由转到到平动的严格转化，因而在提高效率方面有着更大的优势和套用价值。