超冗余生物纳米机器人集合了生物纳米机器人和超冗余机器人的众多优点,在农业、食品、医药和化工等领域具有广泛的应用前景,因而受到学者们的极大关注。本论文主要从机构学角度对超冗余生物纳米机器人的建模、运动分析、设计和控制等问题进行了研究。首先,将机构学方法引入蛋白质多肽链的研究。通过把肽单位看作机构中的基本构件,把共价单键Cα-C和N-Cα看作机构中的转动副(转动关节),建立起蛋白质多肽链的机器人机构学模型,为应用机构学模型解决相关问题奠定了基础。其次,以蛋白质多肽链的机器人机构学模型为基础,将机器人机构学D-H坐标法应用于多肽链运动学研究,建立蛋白质多肽链机构学模型的运动学方程并完成了其正运动学仿真和逆运动学求解。以蛋白质结构预测同源建模法中二面角的计算问题为例,说明机构学方法在研究蛋白质结构相关问题时的优越性。再次,提出一种基于蛋白质的超冗余生物纳米机器人——空间纳米镊的设计和控制方法,并给出了初步的仿真计算结果。分子动力学仿真结果显示:在不通过残基变异的情况下,通过向溶液中添加不同离子改变溶液的PH值来控制空间纳米镊子的方法是切实可行的。最后,将机器人机构学的方法引入核酸的研究中,分别建立起核酸单链(RNA)和DNA双链的机器人机构学模型,为应用机构学方法研究核酸结构相关问题铺平了道路。本文的分子动力学仿真是借助VMD和NAMD软件完成的,运动分析和仿真是借助MATLAB软件完成的。