仿人机器人行走系统(简称：仿人行走系统)是仿人机器人技术研究的关键环节。其运动学分析是仿人机器人实现拟人化运动的基础,准确的运动学分析可为仿人行走系统的结构设计和优化提供必要的技术指标,并为仿人行走系统的步行控制奠定基础。多刚体机构在运动过程中不可避免的会出现奇异位姿,使其变成不可控机构。通过分析仿人行走系统的位姿奇异性,排除奇异位形,使仿人行走系统在运动过程中避开奇异位姿,提高机构的可控性。仿人机器人在行走过程中是否能够达到期望的位姿与其动力学密切相关。通过仿人行走系统的动力学研究,便于寻求仿人行走系统最优动力输出,减少机构总质量,降低能耗,从而增强仿人行走系统的续航能力。本论文在教育部新世纪人才项目“仿人机器人行走系统关键技术研究”的支持下,进行仿人行走系统的运动学和动力学研究。首先,以仿人行走系统步行运动的高度拟人化为设计目标,以提高动能的有效利用率为优化指标,对仿人行走系统进行了结构设计。分析仿人行走系统的结构特性,应用旋量理论描述刚体的运动,基于旋量法对仿人行走系统进行运动学建模。在求解仿人行走系统运动学逆解过程中,采用Paden-Kahan子问题和刚体运动学特性相结合的方法加以求解,解决了单纯的Paden-Kahan子问题无法求解仿人行走系统运动学逆解这一问题。将旋量法和传统D-H参数法进行对比分析,阐述了基于旋量理论对仿人行走系统运动学建模的优势,并通过实例验证了运动学建模的正确性。其次,由于仿人行走系统的速度雅克比矩阵为非满秩时,仿人行走系统会发生运动奇异,成为不可控的机构。基于旋量理论和机构的运动机理,建立仿人行走系统的奇异轨迹方程,从而获得仿人机器人的雅克比矩阵。对仿人行走系统的雅克比矩阵进行计算,得出其奇异位姿,为仿人行走系统步态控制环节奇异位姿的排除提供理论依据。然后,为了寻求仿人行走系统的最优动力输出,分别采用拉格朗日法和牛顿-欧拉法对仿人行走系统进行了动力学建模,比较两种方法在仿人行走系统动力学建模上的优缺点,并阐述了基于拉格朗日法对仿人行走系统动力学建模的优势。利用建立的动力学模型验证了电机选取的合理性,并提出优化方案。通过仿真实验验证了动力学建模的正确性。最后,对仿人行走系统进行运动规划,通过仿真实验进一步验证了基于旋量理论运动学建模的可行性,以及动力学分析中电机选取和优化的合理性。