机械本体是人形机器人开发的关键和基础,直接决定着人形机器人的性能,制约着未来机器人控制与智能化扩展的潜力。关节机构则是机器人本体构型的核心。本文从仿生学角度出发,结合人体踝关节的结构、运动、功能等特征,以主动两自由度球面并联机构UP+R为原型,提出了一种外形结构、工作空间、运动方式、承载能力等多方面高度逼近人类的具有中心球面副的新型两自由度球面并联仿生踝关节构型,并对该机构的性能进行了深入系统的研究。本文的主要研究内容如下:在两自由度UP+R并联机构的静力学求解的基础上,进一步研究了机构的力学性能和变形特征。研究结果表明:机构的线位移、角位移刚度不均衡,外载荷作用下中心线位移变形很大,原型机构不能直接用于机器人踝关节。根据之前提出的在原型机构中植入中心球面副,以增加线位移刚度,同时实现静力卸载的设想,本文从机构学、仿生学的角度,重新构建了具有中心球面副的三支链、两自由度球面并联仿生踝关节机构。对新型球面并联仿生踝关节机构进行了机构学研究。建立了新型两自由度球面并联仿生踝关节机构的运动学模型,推导出了机构的位置正反解,求解了机构的工作空间,利用螺旋理论求解了机构的自由度。对新型球面并联仿生踝关节机构的超静定静力学进行了研究。采用传统的拆杆法,建立了新机构每一个构件的静力学平衡方程,利用小变形叠加原理和变形位移关系建立了机构整体的变形协调补充方程,最终得到了具有高次超静定的新型踝关节机构的静力学全解。求解并绘制出了不同外力状态下所有构件力、力矩与机构位姿的关系图谱,分析了机构的力学性能和变形特征。与原型机构进行对比,新型踝关节机构实现了几乎完全的静力卸载,大大提高了机构的线位移抗变形能力,使刚度趋于均衡。最后完成了新机构的运动学模拟仿真。总的来说,新型踝关节机构的研究结果与预期研究目标一致,完全满足机器人机械本体设计的相关要求。