在机器人的研究发展历程中,仿人机器人的研究一直是一个热门的研究方向。仿人机器人具备人类的外形特征,从实现两足步行到更多的动作细节研究,仿人机器人一直被设计开发出多种应用功能,尤其在服务及危险作业领域有着广阔的应用空间,仿人机器人发展至今已有不少让人惊叹的成果。然而其仍没有具备完全自主的适应外部复杂环境的能力,例如,仿人机器人行走失稳而发生摔倒,受到地面巨大冲击力而导致仿人机器人本体机械结构破坏,甚至造成仿人机器人关节中一些昂贵、精密的核心部件的损坏。本文为了提高仿人机器人核心部件的抗摔倒冲击能力,开展了仿人机器人关节抗过载、冲击方法的调查和研究,通过具有过载保护功能的安全关节的设计与实现,增强了仿人机器人抗冲击过载的能力,提高了仿人机器人应对摔倒等复杂环境的适应能力。本文的主要研究内容如下:首先,本文研究并分析了人类出现失稳而发生摔倒的过程及紧急应对动作,设计并建立了仿人机器人摔倒实验平台,实际采集了仿人机器人摔倒时手臂末端所受冲击力,并对其进行分析,确定了仿人机器人摔倒时上肢各关节受到的冲击力,为本文基于摔倒冲击设计的抗过载功能的安全关节提供了实验支撑和数据支持;其次,提出了安全关节的总体设计方案,通过关节的传动方案的设计和受力分析,提出了一种关节过载保护器设计,并基于ADAMS动力学软件进行了过载保护器的动力学仿真,先分析了过载保护器在受到外部低负载时作为刚性连接机构的传动特性,然后分析了过载保护器在受到外部高负载及冲击负载时进行自我保护的可行性;再次,设计了高集成度、高刚性的安全关节,将过载保护器设计集成在安全关节中,使仿人机器人关节在具有高刚性、高集成度的同时也具有抗过载的能力,能具备更好的环境适应性,复杂作业能力和负载能力;最后,通过仿人机器人安全关节的实物实验,首先验证了关节在未受到冲击或过载力矩时,能够像刚性关节一样正常、平稳、高精度传动,具备作为关节最基本的功能;其次,验证了关节的安全机制,具备有抗冲击及过载保护功能;最后,测试了其作为过载保护的安全关节各项运动精度、过载保护稳定性的设计要求。通过实验及实验数据分析验证了安全关节的基本性能及过载保护的有效性。