随着我国载人飞船、空间站、月球和火星探测、对地观测、空间科学研究等重大航天工程的陆续启动与实施,对可实现空间大范围在轨操控任务的宇航空间机构的需求越来越迫切。在未来航天任务中,宇航机构必须具备开展大范围空间作业的能力,如实现太空垃圾的回收、失控卫星的轨道修正与维护、实施空间攻防等。而目前的空间操控技术多有弊端,如:大尺度变几何桁架结构和驱动较为复杂,关节式机械臂整体刚度低且操作不够灵活。因此,迫切需要研究一种大尺度、多自由度、高刚度、可折叠的空间桁架式操作臂系统。受生物细胞学理论启发,将机构中的运动副、运动支链以及机构本身视为细胞,并用旋量代数理论完成其数学表达。基于细胞学中的裂胞过程,提出裂胞自由度分析法及裂胞奇异分析法,用以分析多环耦合机构的自由度及构型奇异性。采用自由度分析法对三个代表性的多环耦合机构进行分析,以证明方法的正确性。提出对称式3-R（SRS）RP多环机构新构型,其中R表示转动副,S表示球副,P表示移动副,相比并联机构具有更大的刚度质量比;将多个多环机构模块首尾串联可构造空间模块化操作臂,其刚度优于关节式机械臂,适合于操作臂的大型化并具备可折叠功能。采用绳杆式的结构设计方案可进一步增强其整机刚度。提出一种新型球副机构,并构建由两个同心球副及一个轴线过中心的转动副组成的SRS复合铰链,可实现真正的理想节点设计,增强运动精度,并简化运动学及动力学模型。对多环机构的几何、自由度、构型奇异特性进行分析,可知:（1）机构具有3个自由度,分别为绕中间平面相交两轴线的转动及沿中间平面法线方向的移动;（2）机构在运动过程中的任意姿态,上下两个单元始终关于中间平面对称;（3）由于机构中间移动副的存在,其构型奇异位姿均可避免。对多环机构运动特性分析可知:（1）机构理论上可实现完全折叠和动平台最大180°的转动;（2）机构几何奇异位姿位于其工作空间的边界位置,在工作空间中运动始终为连续运动。通过模块化操作臂系统运动学和工作空间分析可知,操作臂具有优良的折叠与弯曲运动性能,三模块操作臂工作空间近似球形,具有较好的操作范围。3-R（SRS）RP多环机构具有多个单自由度铰链（转动副和移动副）,其需要3个驱动实现全驱动,具备84种驱动模式配置可能,主要有3R类,2R1P类,1R2P类,以及3P类四大类型。因此,本文提出一种驱动模式优化方法,包含广义驱动力均布准则、功率消耗均布准则以及驱动策略准则。对3-R（SRS）RP多环机构驱动模式进行分析可知,3R类驱动模式在功耗分布方面最优,但在驱动策略准则角度,3P类驱动模式为最优解。提出一种多模块操作臂驱动模式分配策略,确定三模块多环机构操作臂驱动模式分配方案为:接近静平台的模块采用3R类驱动模式,其余采用3P类驱动模式。此外,建立三模块操作臂系统的动力学模型,求解得到系统的广义驱动力列阵,用以设计操作臂样机及电机选取。搭建三模块多环机构操作臂样机实验测试系统,并分别开展模块运动模式验证实验、运动学特性验证实验、两种同构驱动模式下功耗测试实验、操作臂广义驱动力测试实验,分别验证本文对3-R（SRS）RP多环机构的构型特性分析、运动特性分析、驱动模式分析以及动力学分析的正确性。从而证实模块化3-R（SRS）RP多环机构操作臂具备空间大尺度、多自由度、高刚度、可折叠的特点,具备空间应用的潜力。本文研究工作的开展为我国空间大尺度智能结构体设计理论与方法贡献思路,为空间非合作目标的抓取及空间大范围灵活操控提供理论和技术支持。