仿人机器人具有类似人类的外形特征和运动能力,通常被设计开发来在不改变现有人工环境的前提下辅助或代替人进行各种工作,采用类似人的双足直立模式运动,从而能在现实环境中更好地与人类共处。自机器人的概念首次提出以来,仿人机器人就始终吸引着人们的兴趣并承载着人类对机器人服务于人的理想。如何通过现有的技术使仿人型机器人外形能更近人并让其真正像人一样活动,始终是仿人机器人技术发展的研究重点,也是其进一步实用化的必须解决的问题。本文结合国家自然科学基金项目“仿人机器人多模态运动与转换理论与方法”项目,进行仿人机器人的机构设计与系统集成研究。本文的研究重点是根据仿生学机理研究仿人机器人机械系统中的关键环节,使其在运动失稳或摔倒冲击时能保护自身不受损伤。相关的内容和成果如下:首先,针对仿生运动模式要求和失稳摔倒状态下自我保护等功能目标,建立了一种仿人机器人的全身模型;确定了机器人的全身自由度的配置方案和主要结构尺寸;论述了仿人机器人结构设计的一般原则和针对新功能的若干关键机构设计问题;介绍了仿人机器人整体机构设计方案。第二,围绕仿人机器人在摔倒时利用上肢支撑的保护策略,提出了一种以支撑缓冲为主要功能的仿生上肢结构,包括:肩关节一体化驱动及传动过载保护;肘关节的分布式串联弹性驱动。以实现上肢机构快速运动调节和支撑缓冲功能为目标,提出了一种结构紧凑、分工清晰、布局合理的上肢设计方案,实现了仿生关节驱动和上肢结构的融合设计。第三,基于仿人机器人下肢膝关节在多种运动模式下的驱动特征,提出了一种具有变减速比传动特征的关节驱动形式。参照人体膝部运动机理,对仿人机器人膝关节传动系统进行布局设计。提出了一种能够在较大范围内实现变比例传动的多级连杆同步传动方式,通过参数优化获得了理想的传动比-关节相位对应关系和较大的关节执行范围,使膝关节驱动能够进一步适应仿人机器人的多种典型运动模式。第四,针对仿人机器人在行走中容易因足部与地面接触发生相对滑动而造成系统失稳的问题,仿照猫科动物爪尖伸缩机理,提出了一种具有自适应特性的欠驱动爪趾机构,实现了一种兼具足底接触缓冲特性和爪尖锚固增稳特性的被动柔顺足部机构,通过足部与地面的多点复合接触形式来提高行走过程中足部支撑接触的稳定性,解决了运动中单脚支撑状态下足底接触摩擦形成的约束能力不足的问题最后,通过模拟实验和实物平台应用对比等方法,对本文所提出的机构设计研究中的关键方法进行了验证,通过数据的对比和分析评价其在仿人机器人系统集成与实现中的作用。总结了仿人机器人的机构设计与研究工作,并展望未来机器人仿生机构进一步深入的研究。