仿人机器人目前已经成为机器人领域的研究热点之一,而作为仿人机器人的整体结构核心和实现运动功能的载体,机器人关节的性能优劣影响了机构整体的运动性能和承载能力。针对当前机器人关节存在的刚度较低、耦合度高及控制难度大等问题设计出一种低耦合、刚度大、灵活控制的仿生关节具有重要的理论意义和研究价值。本文提出了一种具有半解耦特性的新型非对称式三自由度球面并联机构,针对机构的运动学、尺度综合以及动力学等问题展开了系统的研究,并以人体髋关节为应用场景对该球面机构进行了优化分析。本文的主要研究内容如下:1.针对提出的新型球面并联机构,采用螺旋理论对该机构自由度进行分析,基于D-H法建立运动副坐标系,基于矢量法对机构进行运动学反解与正解分析,建立了机构的运动学正反解模型。通过运动学分析验证了机构的半解耦特性,即三条运动支链中有一条支链独立控制动平台绕其自身坐标系Z轴方向的转动,其余两支链控制绕动坐标系XY轴方向的转动。2.基于微分变换法得到了从关节空间到操作空间的速度、加速度传递关系,计算出机构的速度、加速度雅可比矩阵。基于速度雅可比矩阵分析了机构的奇异位形,将人体髋关节作为机构的应用场景,以杆件干涉和奇异位形作为机构的约束条件,采用边界搜索法计算了机构的工作空间。3.结合雅可比矩阵条件数和机构的半解耦特性,提出了一种具有耦合系数的全域均值灵巧度性能评价指标,基于新型灵巧度指标和机构的工作空间指标建立多目标优化函数,采用粒子群算法对机构三条支链的驱动杆半径进行了优化,使得机构在满足人体髋关节运动范围的基础上工作空间内运动性能良好。4.在分析机构各构件速度、加速度的基础上,通过运动旋量计算各构件动能及势能,建立机构拉格朗日动力学模型,以数值计算形式求解机构的驱动力矩。5.建立了机构的ADAMS虚拟样机模型,规划了一段典型运动轨迹,对机构的运动学和动力学进行了仿真分析。ADAMS仿真结果与理论计算结果一致,验证了虚拟样机模型、机构运动学模型以及动力学模型的正确性。最后试制出球面并联机构样机,基于ZBasic语言编写了运动控制程序,然后对机构进行了典型轨迹运动实验,实验结果验证了该机构运动学模型的正确性与设计的合理性。所提出的具有半解耦特性的球面并联机构丰富了球面并联机构的类型,为具有解耦特性的球面机构的理论分析奠定了基础,也为解耦机构的尺度综合提供了参考。