仿人机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一,它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体,反映了一个国家的智能化和自动化研究水平,是一个国家高科技实力的重要标志。稳定步行是仿人机器人最基本的类人行为方式,也是实现其它行为的基础,仿人机器人因其灵活的步行能力而具有广泛的应用前景。然而,由于它是一个自由度多、结构复杂、耦合性强的非线性系统,因此,实现稳定步行是仿人机器人研究领域的热点和难点之一。步行控制的研究不仅可以为仿人机器人的机构设计与优化提供理论指导,而且还将会促进仿生学的研究和应用,使人类更好地破解生命的奥秘,可以更多地了解和掌握人类的步行特性,并利用这种特性为人类服务。因此,本课题研究具有重要的理论意义和应用价值。仿人机器人实现稳定的步行需要进行步态规划和步行控制。步态规划是给定仿人机器人在理想情况下实现期望步行的各关节运动轨迹,而步行控制则是根据仿人机器人的实时步行状态对规划的步态进行修正以保证机器人的稳定步行。本文在收集、整理和分析国内外大量相关文献资料的基础上,对仿人机器人的步态规划和步行控制进行了重点研究,主要的研究工作如下：(1)仿人机器人的运动学和动力学建模及稳定性判据首先分析了仿人机器人的结构,对机器人的各关节进行简化,建立仿人机器人的连杆模型、世界坐标系和各关节的局部坐标系。基于该连杆模型,根据腿部关节的几何关系,采用D-H方法推导出仿人机器人的正运动学和逆运动学模型,同时根据拉格朗日方法推导出仿人机器人的动力学模型。此外,介绍了仿人机器人步行稳定性判据—零力矩点(Zero Moment Point, ZMP)的定义,推导出ZMP的表达式,研究了仿人机器人稳定步行时需要满足的约束条件。(2)基于CSI-PSO的步态规划针对采用传统步态规划方法规划出来的仿人机器人步态阶数高、容易出现振荡、ZMP稳定裕度不够大,以及多个步态参数难于优化等问题,提出了一种基于CSI-PSO的步态规划方法。该方法分两步,第一步根据仿人机器人的步行要求,采用三次样条插值(Cubic Spline Interpolation, CSI)方法规划出径向和侧向平面内仿人机器人起步、周期步行和止步的步态,但该步态中包含各关键时刻两髋关节中心(Center of Two HipJoints, CTHJ)到支撑腿踝关节的距离参数；第二步以步态中单、双脚支撑期各时刻ZMP到稳定区域中心的距离为参数构建评估步态稳定性的目标函数,采用粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法对三次样条插值方法规划的步态中CTHJ到支撑腿踝关节的距离参数进行优化,使步态的ZMP尽量靠近稳定区域中心。仿真结果表明,该方法规划的步态比基于遗传算法优化的步态ZMP稳定裕度更大,而且步态中各关节的位置、角度、角速度和角加速度等轨迹平滑,在各时间段内单调。(3)基于各关节角度校正的步行控制仿人机器人步行时的关节角度控制误差等因素导致ZMP产生误差,影响步行稳定性。由于各关节角度误差都对ZMP有影响,若只校正支撑腿的踝关节或髋关节等单个角度,达不到理想的步行控制效果。此外,仿人机器人的各关节角度和ZMP之间为复杂的非线性关系,故难以直接根据ZMP误差求解出各关节角度校正量。针对这些问题,提出一种基于各关节角度校正的步行控制方法。该方法先通过模糊算法根据步行中的ZMP误差给出跟踪期望ZMP的仿人机器人质心位置校正量,再采用等式约束二次规划的拉格朗日方法以及机器人质心位置和各关节角度的雅可比矩阵求解出满足该质心位置校正量的各关节角度校正量。仿真实验表明,该方法与仅校正踝关节和髋关节的步行控制方法相比,更好地跟踪了期望ZMP轨迹,使仿人机器人实现了稳定的步行。(4)采用双臂摆动方式的步行控制针对仿人机器人步行中产生的偏摆力矩导致机器人滑转而失稳的问题,提出一种采用双臂摆动方式的新步行控制方法。该方法先采用三次样条插值方法规划出双臂参数化的摆动角轨迹,再以抵消后的偏摆力矩最小为目标,通过穷举法搜索出双臂摆动角参数的最优值,由此得到双臂的摆动角轨迹；然后在仿人机器人的步行控制中,除对双腿关节进行控制外,还控制双臂跟踪规划的摆动角轨迹,以此抵消步行中的偏摆力矩。仿真结果表明,该方法较好地抵消了步行中的偏摆力矩,各时刻的偏摆力矩都小于地面与支撑脚掌之间的最大摩擦力矩；此外,与采用力矩平衡计算的双臂摆动角轨迹相比,该方法的双臂摆动角轨迹偏摆力矩抵消效果更好,而且周期性好、平滑且在步行周期内单调,仿人机器人步行中滑转的几率更小。论文最后对全文进行了总结,阐述了本文研究的创新点及主要研究成果,同时对课题中需要改进之处和有待提高的地方提出了展望。