在人形机器人本体设计中,关节及其整体构型是实现关节动作平顺和拟人化的关键环节之一,机器人关节的结构与性能将直接决定其整体性能,机构本体创新或挖掘已有构型应用潜力的研究仍意义重大。本课题以人体髋关节生理学结构为基础,依据仿生设计原则,将偏置输出3-RRR+(S-P)球面并联机构引入仿生髋关节构型中,针对提高机构精度、保证样机控制系统性能及实现拟人化运动进行相关理论分析和实验研究。首先,分析关节原型机构运动学、速度雅克比矩阵,并对执行端轨迹进行具体规划。仿生髋关节的运动学是实现运动控制的基础,结合机构输出空间为部分球面的特性,采用旋转变换通式描述动平台位姿,求解运动学反解。基于虚设机构法和影响系数法,解得关节速度雅克比矩阵,为仿生关节速度控制,提供理论基础。采用加速度为连续分段函数的方法,对输出端在两离散点间轨迹进行规划,给出了离散点间转轴矢量表达和转角的具体确定方式。借助Matlab和Solidworks软件,对运动学进行了仿真验证。然后,建立仿生髋关节原型机构误差模型,为保证样机精度提供理论支撑。基于D-H参数法给出3-RRR+(S-P)球面并联机构中支链的参数化表达,采用环路增量法建立了关节机构位置误差模型,分析机构输出端误差与运动副的轴向间距误差、轴间距误差和轴向转角误差之间内在联系,并绘制误差图谱,进一步给出关节样机在加工制作和装配中平稳运行的几何条件。最后,结合机构误差模型分析结果,设计了机构外部支链和中心支链的具体结构,完成仿生髋关节样机研制。采用“PC机+Umac控制器”主从控制模式,基于Umac控制器搭建仿生髋关节样机控制系统,并通过整定系统PID参数和陷波滤波器参数,提高了控制系统稳定性和响应能力。同时,以人体髋关节具体运动数据的拟合函数为基础,对该仿生髋关节复现人体髋关节运动的能力进行了实验验证。