人形机器人是指模仿人类整体或某一部分的形态和行为而设计制造的机器人。人形机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。作为人体运动范围最大的关节，肩关节是人形机器人研究的关键，愈发受到国内外学者的关注。本文基于球面并联机构开展对人形机器人肩关节仿生设计的研究，为仿生并联关节机构的发展与应用奠定理论基础，本文的主要研究内容如下：系统的阐述肩关节的解剖学组成、肩肌功能特征及其运动机理，以及肩关节仿生的基本理论与最新研究成果，分析人体肩关节仿生学的研究意义及发展方向。对肩关节球面并联机构进行系统归类，比较分析各类肩关节球面并联机构的特性，基于对人体肩关节的结构特征和运动机理，对肩关节球面并联机构进行优选，初步综合出3-PSS/S球面并联仿生肩关节机构原型。对3-PSS/S关节球面并联原型机构进行运动学分析。应用解析法推导3-PSS/S球面并联机构的位置反解，借助Matlab软件基于位置反解并结合机构的约束条件绘制3-PSS/S球面并联机构的姿态工作空间，运用单一变量分析法定量分析机构的基本结构参数对工作空间的影响；在原型机构的基础上引入多耳球面副和偏置思想，将动平台绕中心立柱的转动自由度释放，改变机构工作空间的输出方向，求解出偏置机构相对于人体世界坐标系的变换矩阵。运用遗传算法对3-PSS/S球面并联肩关节机构的结构参数进行优化，绘制遗传算法寻优性能跟踪图，实现遗传过程可视化，并运用反向验证法对优化结果的有效性进行验证。基于运动学分析以及机构的优化结果，对3-PSS/S球面并联仿生肩关节机构进行设计，绘制其三维模型图及工程图，对多耳球面副进行加工制作，并建立仿生肩关节机构虚拟实验样机模型。