仿人机器人具有人类的外形特征,不需改造就能直接使用人类的工具,适应人类生活和工作环境,是一种理想形态的智能机器人。仿人机器人特有的双足行走方式,能够通过轮式、履带式等机器人无法越过的障碍,具有很强的移动能力和灵活性。另一方面,仿人机器人的重心较高,靠面积较小的足部支撑,难以避免机器人突发摔倒,无法继续工作,是制约仿人机器人进入实用化的瓶颈之一。本文结合国家自然科学基金重大国际合作研究项目“仿人机器人多模态运动与转换理论与方法”,通过研究人体摔倒保护运动规律,设计适用于仿人机器人的摔倒保护控制方法,降低机器人摔倒之后受到的损伤,提高仿人机器人的环境适应能力。本文的主要研究内容和成果如下:首先,从人体摔倒保护运动研究出发,设计了基于多种传感器的人体摔倒运动采集系统,包括光学运动捕捉系统,六维力传感器以及加速度传感器,通过进行多组被试者的向前摔倒和向后摔倒实验,采集人体摔倒动作的运动数据。为本文的研究提供了仿生学依据。其次,根据碰撞发生的时间将人体摔倒运动分为多个阶段进行讨论,根据人体摔倒运动数据分析各个阶段的运动规律。将对人体摔倒运动影响较大的膝关节、髋关节运动,头部和躯干的加速度,人体摔倒时的冲击力进行定量分析。最后,提出基于人体摔倒运动规律的仿人机器人摔倒保护运动控制策略。第三,建立基于三阶倒立摆的仿人机器人摔倒运动简化模型,弥补了线性倒立摆模型无法描述仿人机器人腿部和躯干转动、摔倒时多次碰撞的不足。推导了的三阶倒立摆向前和向后摔倒运动的动力学方程,并建立了摔倒碰撞模型。建立了仿人机器人摔倒的状态方程,根据人体摔倒运动规律和机器人自身硬件给出了约束条件,通过非线性系统的多段优化方法获得使碰撞冲击最小的机器人摔倒运动轨迹。最后,建立了仿人机器人动力学仿真系统,通过对比仿真实验,对所提出的仿人机器人摔倒保护规划进行了理论验证。第四,提出基于仿人机器人状态变化的稳定状态检测方法,使机器人根据自身的稳定状态选择摔倒保护策略或者抗干扰策略;针对仿人机器人受到扰动,但不足以触发摔倒保护的情况,设计了基于躯干柔顺控制的仿人机器人抗扰动方法;建立基于有效稳定域的仿人机器人运动模态转换策略,使机器人能够从摔倒结束状态转换至站立状态,以便继续执行作业任务。通过仿真验证了上述方法的有效性。最后,为BHR6P仿人机器人平台设计了控制系统和摔倒保护装置,并通过该机器人进行了实验,验证了本文提出的仿人机器人摔倒保护运动规划和控制方法的有效性。