军事、航天、核工业等领域已成为发达国家竞相发展的战略目标,其外部作业环境具有危险性大、复杂多变、非结构化、作业空间狭小等特征,迫切需要研发高性能机器人替代人类作业。腕部是机器人的关键部件,其性能直接影响机器人末端执行器的定位精度、灵活性等作业性能。为提高空间机器人作业能力,突破腕部模块的瓶颈问题,研制对外部环境具有柔顺作业能力的高性能腕部已成当务之急。本文提出一种由相对独立运动链组成的解耦型三自由度高集成球型手腕机构。简述了手腕结构特点,采用双万向节和双半球结构来保证腕部关节的紧凑性与灵活性,分析了腕部关节的工作空间并运用传递矩阵及几何分析方法建立了腕部运动学模型,推导得到腕部雅克比矩阵,利用雅克比矩阵分析工作空间内的奇异位置。依据上述理论,设计并研制了高集成三自由度解耦球型腕部机构,通过Solidworks运动仿真模块仿真验证建模准确性及定位有效性,搭建实验平台实验验证了该腕部机构能平稳、灵活的实现俯仰、侧摆及滚转三自由度运动。本文以高集成解耦三自由度球型手腕为被控研究对象,研究基于摩擦力补偿的解耦球型腕柔顺模式控制原理,探索基于系统摩擦力矩补偿柔顺控制的可行性。提出实现摩擦力补偿解耦球型腕柔顺模式的一系列工作思路。对腕部模块建立合适的摩擦模型并对模型进行处理以符合应用要求,通过制定合适的实验及仿真方案,基于遗传算法参数辨识方法辨识系统摩擦参数,腕部末端安装力传感器,建立腕部模块柔顺控制模式下考虑末端接触力及阻力影响的电机力矩模型,编写遗传算法辨识程序,建立Matlab及Simulink环境下的腕部系统柔顺控制仿真模型,仿真结果验证了基于摩擦力补偿解耦球型腕柔顺控制模式的可行性及有效性。本文形成新型空间机器人手腕机械结构、系统摩擦力建模与参数辨识补偿为一体的摩擦力补偿的柔顺球型腕设计方法与控制理论。基于摩擦力补偿的柔顺球型腕具有极大的应用价值,同时基于摩擦力补偿的柔顺工作原理也具有普遍的应用意义。