模块化机械臂可以通过构型重构来适应不同的工作环境或变化的工作任务,它的出现弥补了普通机械臂无法适应工作环境或任务目标变化的缺点。为了使模块化机械臂适应不同的工作环境和操作任务,往往需要调整模块化机械臂的构型。通过多次重构寻找最优任务构型的过程中,要求在短时间内对模块化机械臂进行多次建模,才能实现对模块化机械臂的控制和构型校验。因此,进行模块化机械臂快速建模研究,加快建模速度,缩短模块化机械臂构型设计周期,具有十分重要的理论意义和应用价值。本文以模块化机械臂为研究对象,开展模块的概念性设计、模块化机械臂运动学快速建模方法、逆运动学解算算法、基于关节空间的机械臂路径规划、模块化机械臂动力学快速建模方法等研究,并验证相应算法的可行性。主要研究内容包括以下几个方面：首先,分析完整模块化系统的基本构成,阐述模块化设计的优势,说明模块划分的一般原则,完成模块的概念性设计。采用数学表达的思想,对设计的模块进行数学描述,使得可以更加快速的进行模块化机械臂的建模解算。其次,开展模块化机械臂运动学快速建模方法研究。目的在于针对模块化机械臂,提高其正运动学的建模和求解速度。采用基于旋量和指数积公式的方法,对模块化机械臂进行正运动学建模解算。旋量指数积公式法建立坐标系简单高效,相比于常用的D-H参数法,建模过程大大简化,节约大量建立坐标系与参数获得的时间。以模块化机械臂为例,对算法进行验证。再次,开展模块化机械臂逆运动学解算和路径规划研究。利用基于旋量指数积的正运动学表达式,通过牛顿-拉夫逊迭代方法,对模块化机械臂逆运动学进行求解。全面阐述机械臂路径规划方法,在关节空间对模块化机械臂进行路径规划研究,得到相应的规划结果。进行机械臂的路径规划实例试验,验证算法的有效性。最后,利用空间算子代数理论进行模块化机械臂的动力学建模,针对机械臂惯常模型定义其相关符号,采用模块的数学描述并利用空间转移算子完成模块化机械臂的速度、加速度向外递推以及力、力矩向内递推,得到基于空间算子代数的模块化机械臂高效逆动力学解算方法。利用卡尔曼滤波原理对模块化机械臂广义质量矩阵进行因式分解,简化其求逆计算,得到模块化机械臂的高效动力学模型。针对空间算子代数的方法进行算法复杂度的分析,通过实例解算,与牛顿-欧拉方法计算时间进行对比,验证算法的高效性与实用性。