模块化机器人是由一系列标准的关节模块和连接模块构成的机器人系统。模块化关节是模块化机器人的核心组成部分,每个模块化关节具有标准的机械和电气接口。模块化机器人的突出优点是可重构、易维护、高灵活性和可靠性,具有很广泛的应用前景。本文根据国家863计划项目“空间实验室舱内机器人综合服务系统”中提出的模块化设计思想,进行了模块化关节的设计和研究工作。在分析国内外模块化关节研究现状并结合课题要求的基础上,完成了模块化关节的总体方案的设计和分析论证。根据模块化机器人的任务要求,采用自顶(末端手爪)向下(机座)逐级递推的方法计算出模块的各关节所受的最大力矩；建立了模块几何尺寸误差与机器人末端手爪最大位置误差之间的关系模型,并通过该模型计算出机器人末端手爪最大位置误差。最后确定了模块化关节的设计指标,并完成了模块化关节主要部件的选型。根据三分支模块化机器人的技术要求,采用模块化设计思想设计了一种集机械系统、驱动系统、传感系统、控制系统和电源系统为一体、具有标准机械与电气接口的机器人模块化关节。详细设计了一种基于应变式原理、采用成十字分布的弹性梁结构的关节力矩传感器,使关节具备转矩和弯矩过载保护能力。完成了模块化关节材料的选用、详细结构设计、走线设计、系统集成设计、多种连接模块设计等工作。应用三维软件Pro/E对模块化关节进行虚拟装配和运动仿真分析,利用有限元分析软件ANSYS对模块的关节的关键零部件进行了强度分析,并对轴承进行了强度校核计算。结果表明关节结构设计无干涉现象,零部件的布置和安装符合要求,整个系统传动合理,关键零部件的强度满足设计要求。根据课题的任务要求分析了模块化关节控制系统的组成,提出了一套基于DSP的控制系统设计方案。介绍了模块化关节控制系统的硬件设计,给出了DSP控制器、驱动电路、信号检测和反馈电路以及CAN总线接口电路的详细设计。根据模块化关节的工作原理和功能要求,详细阐述了系统软件的设计思想,讨论了主程序和各功能子程序的设计步骤。从模块化关节的模型出发,设计了出有效的关节控制器,对多路闭环控制方法进行了算法分析和MATLAB仿真实验研究,取得了比较理想的效果。