近几年来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，人形机器人由于其结构的特殊性,已成为仿生领域的研究热点。人形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高可靠性的领域有着广阔的应用前景。模块化设计和高冗余度设计等新思路的提出和逐步完善，使人形机器人成为研究的亮点。 

我们设计的体操机器人结合了国内外人形机器人的发展现状，充分考虑了人体的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学的相关理论，建立了基于行为控制理论的运动学模型，把人体的复杂运动形式化解为局部的、简单的动作状态，并以固定的相位差沿骨架关节进行传播。采用中央处理机集中控制的方式把各种运动方式进行合成，实现了机器人的侧滚、单手支撑、倒立等运动形式。在对人体运动机理深入研究的基础上，得出了利用杆状结构的角度变化和运动时延，相位差去控制机器人运动的速率和运动方向的规律。

机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。

1）手部  手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种。本次设计的手部选择气动手爪手部结构。

2）腕部  腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度，有回转运动、上下摆动、左右摆动。腕部设有回转运动再增加一个上下摆动。

3）臂部  手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部具有三个自由度，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。  手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。

4）机座  机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用，安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。本次设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂配置，其驱动源来自步进电机。

系统的硬件设计主要分为2大部分即机械部分设计和电控设计，两者有机地结合起来，保证该机器人实现所需动作的稳定性。电控部分是控制机器人完成所需动作的核心，在脉宽调制（PWM）控制伺服电机的方法基础上，ATmega16单片机通过定时器设定脉冲宽度，达到对伺服电机的角度控制。

电控设计包括控制系统设计、USART通讯接口设计、电源设计和伺服电机的工作设计。

控制芯片选用ATMEL公司推出的ATmega16单片机。它是是一款基于RISC（精简指令集）的低功耗8位高性能单片机，芯片了集成16K字节的在线可编程Flash。在该系统中，单片机通过串行USART接口与上位机进行数据通信。同时，单片机各引脚向各个伺服电机输送PWM波对电机进行控制，实现电机按照预期角度运动。