随着科技的发展，仿生机器人已经成为机器人研究的热点。仿生机器人能模仿自然界中生物的外部形态或运动形式，主要由一系列的关节/运动单元联结而成，关节/运动单元的设计是仿生机器人研究的重要内容。目前，仿生机器人的关节/运动单元大都采用串联结构，存在承载力低、刚度较差等缺点，而并联关节/运动单元具有结构紧凑、承载力强等优点。设计了两自由度正交肘关节运动单元和三自由度正交肩关节运动单元。肘关节运动单元以5R球面两自由度正交并联机构为机构原型，具有运动灵活、承载能力强等优点，可模拟人体肘关节的运动，实现空间的二维转动。肩关节运动单元以3-RRR球面三自由度正交并联机构作为机构原型，具有刚度好、便于加工和装配等优点，能实现人体肩关节的空间三维转动。建立了肘关节运动单元和肩关节运动单元的位置正反解方程，给出了两种关节运动单元的工作空间，并分析了各主要结构参数对工作空间的影响。分析了两种关节运动单元的解耦性、动力学及几何误差，定义了性能评价指标，并绘制了性能评价指标在工作空间的分布情况。建立了两种关节运动单元的几何空间模型，在几何空间模型中给出了结构参数与全域性能之间的关系，为合理设计两种关节运动单元的结构参数奠定了理论基础。应用基于全域性能图谱的蒙特卡罗的参数优选方法，选取了两种关节运动单元的结构参数，同时考虑其加工与装配工艺性，设计了两种关节运动单元，研制了两种关节运动单元的样机。设计了一种新型三分支六自由度腿部运动单元，以3-UPS并联机构作为机构原型，采用对称式结构，具有刚性好、承载能力高、动态性能好等优点。建立了腿部运动单元的位置正反解模型，分析了腿部运动单元的工作空间、运动学、静力学、动力学，定义了性能评价指标，绘制了性能评价指标在工作空间内分布情况。定义了全域性能评价指标，应用空间模型理论对腿部运动单元进行了结构参数设计，采用蒙特卡罗方法选取了结构参数，设计了腿部运动单元的虚拟样机。设计了一种新型六自由度串并混联拟人臂，这种臂的肩、肘及腕关节分别采用三自由度正交肩关节运动单元，两自由度正交肘关节运动单元以及四杆机构，构成了“3-2-1”的布局，具有运动灵活、刚度好等优点，发挥了混联机构的特点，可实现拟人臂的功能。设计了一种仿生四足步行器，步行器的四条机械腿均采用三分支六自由度腿部运动单元，该步行器具有结构紧凑、承载能力强、稳定性好等优点。