本文围绕机器人球面驱动关节模块的功能目标,对其进行了分析与设计。首先,以单开链支路为单元,对三自由度球面并联机构进行了拓扑结构综合,总共综合出145种机构,其中新机构有23种。其次,在这些机构的基础上,针对机器人球面关节模块的功能目标,提出了关节机构的5个优选准则,最终确定了以3-RRR球面并联机构作为球面关节模块的机构,并分析了球面关节模块的位置正反解。再次,基于3-RRR球面并联机构,定义了球面关节模块的工作空间,提出了一种求解球面机构工作空间面积的新方法,并对工作空间与结构参数的关系进行了深入的研究,通过分析得出了三个重要的结论。最后,对球面关节模块进行了速度、匀速输入时的加速度和静力学分析,在全域灵巧度性能指标的基础上提出了全域运动性能波动指标,用两者共同来评价关节模块的性能。并利用初始位形时各向同性条件和在常用工作空间内的全域灵巧度性能指标与全域运动性能波动指标最优对关节模块进行参数尺度综合,使得原本为四个参数的优化问题缩减为一个参数的优化,在很大程度上缩减了原问题的解析规模和提高了优化效率,并优化得到了关节模块的一组结构参数,满足球面关节模块的功能目标。