仿人机器人是一种外观与人相似,具有移动功能、感知功能、操作功能的智能机器人,它不仅能够独立完成操作任务,还能与人类协作完成操作任务。仿人机器人移动平台在到达指定位置后,操作任务主要依靠仿人机器人高灵活的臂腰系统来完成。由于臂腰系统具有高冗余的特性,如何实现其高灵巧的操作运动规划,以避免操作过程中增加约束限制而导致任务失败是其研究的重点。此外,在臂腰关节传动链内含有谐波减速器等柔性元器件,使得关节具有柔性,从而导致仿人机器人在运动中会发生不可避免的振动,而过大的振动会导致操作任务失败。因此,仿人机器人运动中的振动必须加以抑制。为完成仿人机器人的设计,本文首先分析了仿人机械臂及仿人头部的参数,并结合自上而下的设计顺序与仿人机器人操作任务,确定了仿人机器人腰部设计需求。然后,通过人类腰部运动特征分析,确定了仿人机器人腰部自由度及其构型。在设计了腰关节机械机构、内部传感器系统分布、电气系统及保护措施后,通过参数辨识实验,确定了腰关节的控制参数。最后,通过腰部连接仿人机器人其余部分,完成了仿人机器人系统设计。将仿人机器人主要尺寸参数与成人尺寸参数进行对比,结果表明仿人机器人整体尺寸相对协调。通过对比增加腰部前后的仿人机器人工作空间范围,说明了可运动的腰部有效提高了仿人机器人的操作范围。腰关节性能参数表明所设计的腰关节具有高减速比,输出力矩大,传动轴向尺寸小的特点。同时,腰关节内还集成了多种传感器,并具有机电一体化的特点。工作空间范围及在工作空间内的操作灵巧性是衡量仿人机械臂性能的重要指标。本文结合臂角范围及机械臂运动学逆解的存在性,定义了机械臂工作空间位姿灵巧度,用来描述机械臂在指定抓取方向的灵巧性。与经典工作空间灵巧指标进行对比,工作空间位姿灵巧度不仅考虑了机械臂在指定方向上到达的概率,还将可行臂角范围考虑在其中,对机械臂的操作灵活性的描述更加全面。此外,本文采用解析法判断运动学逆解的存在,不仅避免了逆运动学求解精度导致的灵巧度计算不准确,还可以通过存储可行臂角范围或最优臂角来加速轨迹优化。同时,本文定义了工作空间位置灵巧度,用来描述仿人机械臂在工作空间内不同区域的操作灵巧性。与经典的机械臂工作空间灵巧指标进行对比,本文提出的工作空间位置灵巧度定义的高灵巧工作空间区域在完成指定操作任务,如到达指定位姿,完成指定轨迹的能力与方向可达指数类似,明显优于工作空间密度,可操作度与条件数所定义的高灵巧工作空间区域,尤其在完成带有臂角约束的操作任务时,相对经典灵巧性指标具有明显优势。仿人机器人系统具有高冗余自由度的臂腰系统,为实现臂腰系统的高灵巧运动规划,本文首先通过位置灵巧度建立仿人机械臂高灵巧工作空间,并利用高灵巧工作空间分布进行腰部关节角度优化;然后,通过仿人机械臂位置灵巧度确定操作平面内最佳操作位置,并将其确定为操作目标的移动终点,便于实现对操作目标的复杂操作;最后,通过仿人机械臂位姿灵巧度对目标抓取方向进行优化,以实现抓取姿态的高灵巧性。在通过仿人机械臂灵巧度确定机器人完成操作任务过程中的关键位姿及对应关节角后,通过样条曲线实现对应关节角度的平滑连接,并利用关节样条轨迹离散插补生成关节驱动轨迹,从而实现仿人机器人的灵巧操作的轨迹规划。针对需要反复执行的操作任务,本文提出一种改进粒子群算法来实现约束条件下仿人机械臂基于轨迹优化的振动抑制。此方法以残余弹性势能为优化目标函数,通过约束机械臂关节控制点位置(或/和)机械臂末端笛卡尔空间控制点位置,完成约束条件下仿人机械臂的轨迹优化,从而找到残余振动最小的关节驱动轨迹,实现关节振动抑制。此外,对于实时性要求较高的操作任务,本文提出一种基于仿人机器人重心减速的实时轨迹修正方法来实现振动抑制。首先,通过关节力矩传感器在运动中的变化规律,确定机器人振动时间与运动状态。其次,通过修正关节轨迹降低仿人机器人重心变化速度,从而减小振动增大趋势,实现振动抑制。