人形机器人是模仿自然界生物的结构、运动原理、行为方式等的机器人系统,是机器人发展的最高阶段。关节研究是人形机器人研究领域的一个重要方面,机器人关节性能的好坏直接决定着机器人整体性能的优劣。本文从仿生学角度出发,结合人体髋关节结构、运动、功能特征,针对其原型机构3-RRR存在的力学问题和静力卸载、增大线位移刚度要求,提出了一种与人体髋关节的外形结构、运动方式、承载能力等多方面高度相似的具有中心球面副的新型三自由度球面并联仿生髋关节构型3-RRR+S,并对该机构的力学性能进行了深入系统的研究;在此基础上,设计了一种具有偏置输出的仿生髋关节机构。为进一步研究人形机器人关节提供了一定的理论基础。阐述人体髋关节的结构组成、运动原理以及运动形式;对髋关节的仿生原型机构3-RRR进行了静力学分析和评价,为解决原型机构存在的缺陷,设计了一种新的具有中心球面副的仿生髋关节球面并联机构3-RRR+S,并分析了其自由度。对新型球面并联仿生髋关节机构的超静定静力学进行了研究。采用拆杆法,建立了三自由度球面并联机构3-RRR+S各个构件的全部的静力平衡方程;考虑构件的弹性,利用小变形叠加原理,建立了机构的变形协调补充方程,得到了机构的静力学全解。以机构的实际参数为例,求得机构中各个构件上的全部力、力矩、输入力矩与机构的外载荷、机构位姿的关系图谱;将计算结果与髋关节原型机构的结果进行对比分析,论证了新型机构具有更好的力学性能以及刚度,为机构的设计及应用奠定了基础。根据人体髋关节工作空间的要求,提出了机构的偏置输出设计新思想;基于3自由度球面并联机构的运动学反解,利用人的肢体运动空间与机构的输出空间的映射关系,求得具有偏置输出的球面并联仿生髋关节机构3RRR+S的运动学反解,并对机构进行运动学仿真。