该文以空间机器人手腕为研究对象,以机械设计理论、机器人机构学、矩阵论、优化设计方法为工具,提出一种新型三转动自由度模块化、可重构手腕结构,使其具有结构简单紧凑,姿态空间大,可即插即用等特点,并对其进行运动学分析,主要工作和成果可以概况为以下几个方面:□依据设计思路选择手腕工作原理,据此确定各构件的具体实现方案.其中在传动机构的设计与选取中,对三个不同类型双万向节的结构特点加以比较,进而选出最为合理的类型,并对其根据需要进行改造.最后在所得结构的基础上,针对回转型末端执行器,去掉一个自由度而重构成为二转动自由度手腕机构.□以上、下两半球的相对转角为变量构造机构运动学正、逆解模型.在模型求解过程中,将输出端绕自身轴线的旋转分解为"随动"和"调整"两个部分,避免了不同运动与控制过程之间的混淆.在传动模型中,论证了所选双万向节可以在设计范围内任意偏转角度下匀速传动,为选择该类型的双万向节提供理论依据.□在对空间速度映射、承载力矩映射和静刚度映射等进行初步分析的基础上，论证了雅可比矩阵的条件数是评价机构操作性能最为恰当的指标.通过使雅可比矩阵行列式的值为零求解机构奇异位置，并且构造出一种兼顾条件数全域均值及其极差间的矛盾并使可达空间最大的综合操作性能指标，实现尺度参数优化设计，进而根据机构奇异位置和优化后性能指标的分布规律得到推荐工作空间，并给出工作空间内运动轨迹算例分析.