模块化机器人因其具有重构性好、可维护性高、设计周期短与设计成本低等优点,日渐成为国内外学者的研究热点。模块化关节作为机器人重要组成部分,其性能好坏直接影响着机器人整体性能表现。普通的模块化关节主要采用整体式谐波减速器作为传动部件,关节的成本、尺寸、设计都会受到谐波减速器的限制,不利于关节集成度的提高与成本的降低。此外,谐波齿轮传动的引入对关节的使用寿命与控制效果有着直接的影响,开展基于谐波齿轮传动影响的关节性能优化也是提升模块化机器人整体性能的关键。为此,论文结合“模块化关节研发及产业化”项目,对关节结构进行创新性设计,并开展传动系统结构优化与建模、关节伺服控制系统设计的研究。相关内容对关节的成本降低、集成度提高、寿命延长、控制优化等关键工程问题具有重要的理论意义和工程应用价值。论文的主要研究内容如下:（1）提出了一种使用角接触球轴承替代交叉滚子轴承,且直接集成谐波齿轮传动基本构件（柔轮、刚轮、波发生器）的模块化关节方案,完成了对关节主要零部件的选型与结构设计,利用有限元法验证了关节结构设计的合理性。（2）完成了谐波齿轮传动基本构件关键参数的设计,利用有限元法,分析了柔轮在负载作用下的应力分布,通过Plackett-Burman实验设计方法研究了对柔轮最大应力影响显著的因素,利用响应面法与多目标优化算法优化了传动部件结构,基于优化后的设计参数加工了试验样件,通过疲劳寿命试验验证了设计的合理性。（3）分析了谐波齿轮传动系统的非线性刚度与传动间隙特性,通过刚度特性试验获得了系统的迟滞曲线,拟合了非线性刚度模型,建立了考虑非线性因素的传动系统模型,基于Simulink平台搭建了相应的仿真模块并进行了仿真分析,结果表明,建立的模型能够较好的反映谐波齿轮传动误差曲线的特征。（4）设计了关节三环控制的位置伺服系统,基于永磁同步电机的数学模型与电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法搭建了基于SVPWM的电机控制仿真模块,在位置环中引入模糊控制算法优化了PID参数,基于Simulink平台对比分析了优化前后控制效果,结果表明,基于模糊PID控制的关节位置伺服系统能有效抑制转矩波动且能更好地调节由非线性环节引入的位置误差。