世界能源危机是人类面临的重大难题,激光惯性约束核聚变被认为是解决这一难题的重要手段。衍射光栅作为激光核聚变系统中的核心功能元件,是决定能否实现激光核聚变的关键。光栅在强激光打靶过程中极易受到物理损伤,增大其通光口径成为提高激光核聚变系统输出能量的主要技术手段之一。由于加工工艺的限制,通常利用光栅拼接调姿机构将多块小口径光栅进行机械式拼接的手段来制备大口径光栅。为保证打靶成功,调姿机构要保证拼接光栅间的平移误差达到纳米级,转动误差达到微弧度级,且打靶过程中保持长时间稳定。因此,光栅拼接调姿机构的运动精度和位姿保持精度是限制激光核聚变系统输出能量提升的主要瓶颈难题。本文面向光栅拼接调姿机构的高承载能力、高运动精度和高位姿保持性的实际设计需求,采用理论分析与实验相结合的方法,对空间柔性球铰链的力学建模、柔顺并联机构的弹性静力学建模、光栅拼接调姿机构的优化设计与位姿保持性控制等方面进行研究,旨在为大负载、高精度、高位姿保持性光栅拼接调姿机构的设计和控制提供理论及技术基础。鉴于空间柔性球铰链力学建模是柔顺并联机构设计和分析的基础,本文基于卡氏第二定理,建立空间柔性球铰链的力学模型,引入椭圆偏心角作为积分变量,推导椭圆弧型柔性球铰链的解析柔度矩阵。定义柔性球铰链的力学性能评价指标,根据力学模型分析各种椭圆弧型柔性球铰链的力学性能,揭示柔性球铰链的几何参数对铰链力学性能的影响规律,并优选出力学性能最佳的椭圆弧型柔性球铰链类型。以圆弧型柔性球铰链的理论模型为基础,考虑应力集中效应的影响,建立适用于不同几何参数的圆弧型柔性球铰链力学模型,为柔顺并联机构弹性静力学建模奠定基础,也为光栅拼接调姿机构的结构设计和尺寸优化等提供理论依据。针对柔顺并联机构力与位移高度耦合及柔性单元间复杂的串/并联拓扑连接形式,基于能量法提出一种柔顺并联机构通用弹性静力学建模方法,该方法避免了复杂内力分析及节点力平衡方程的求解。为解决该方法模型单元数较多不能显式表达柔顺并联机构输入/输出间力-位移关系的问题,本文结合柔度矩阵法和传递矩阵法,进一步提出一种基于子结构凝聚法的柔顺并联机构弹性静力学建模方法。从柔顺并联机构输入/输出的角度出发,以较少的单元数描述柔顺并联机构的静力学性能,为光栅拼接调姿机构的设计和分析提供一种简洁、有效的建模手段。为解决一般柔顺并联机构中存在的“大负载”与“高精度”之间的矛盾,引入驱动与承载单元解耦的思想,基于约束设计法提出了一种新型的五自由度光栅拼接调姿机构构型。利用子结构凝聚法,建立光栅拼接调姿机构的弹性静力学模型,研究调姿机构的输入柔度、输出柔度、运动学模型及各支链之间的运动耦合。为获得性能最优的光栅拼接调姿机构,以调姿机构的工作空间、运动分辨率和刚度等性能为目标,利用非支配排序遗传算法进行多目标优化设计,并对优化后光栅拼接调姿机构的性能进行分析与评估。为实现在激光打靶过程中光栅拼接调姿机构的高位姿保持性,研究调姿机构的闭环控制技术。首先推导调姿机构的逆运动学模型;然后建立调姿机构的位姿检测模型,实现调姿机构位姿的实时检测;最后结合调姿机构的逆运动学模型、位姿检测模型和闭环控制算法,实现调姿机构的位姿保持性控制。构建光栅拼接调姿机构原理样机以及控制系统和光学测量系统,基于搭建的一体化集成系统开展光栅拼接调姿机构原理样机的开环运动性能和位姿保持性等实验测试。通过测试调姿机构所能达到的性能指标,验证了本文设计的光栅拼接调姿机构原理样机能够满足设计要求。