双足行走机器人能够在人类的生活和工作环境中与人类协同工作,而不需要专门为其对环境进行大规模改造,所以双足行走机器人具有广阔的应用前景。随着月球探测、火星探测等太空探索活动的不断发展,步行机器人以其灵活性的优点可以在登陆部分扮演重要角色,此外,做为动力型假肢,可以为下肢行动不便人群在室内、室外提供行走工具双足机器人作为研究热点已经存在了几十年,各方面的理论研究都通过大量仿真和实际系统进行了验证,从最简单的平面机械模型到最先进的HONDA和SONY仿生机器人,研究人员做了大量的工作。研究课题包括对步行机器人的设计、建模、动力学分析和步态综合,但距离实际应用阶段还有很大差距。传统双足机器人控制多采用离线规划、在线跟踪的控制策略。然而实际步行路面状况复杂,为了使双足机器人能够在多种条件下稳定步行,需要对实时步态规划进行研究,另外计算机技术的高速发展也使得在线步态规划成为可能。本文主要研究二维平面内步行双足机器人的实时步态规划问题。首先,建立了平面七连杆双足机器人的运动学和动力学数学模型。运动学方面用二叉树的数据结构描述机器人各杆件属性和相互间连接关系,建立了基于MATLAB的运动学仿真工具箱。动力学方面建立了统一的单腿支撑相(SSP)和双腿支撑相(DSP)连续非线性动力学模型和摆脚落地引起的离散动力学模型,脚跟触地和脚尖触地仅在拉各朗日项对应的碰撞约束条件有所不同。建立了包括3个连续运动相和3个离散运动相的混杂系统模型,并在此基础上通过部分反馈线性化得到了降维后维数统一的混杂零动力学模型。其次,针对双足机器人实时步态规划问题,基于滚动优化的思想提出了一种改进的非线性预测控制(NMPC)实时步态规划方法。通过对SSP和DSP三个阶段分别设定运动学和动力学虚拟约束,将复杂实时步态规划问题转化为四个以预测时域内广义驱动力二次型为代价函数的的NMPC问题。仿真结果表明应用该方法对BIP机器人模型进行实时步态规划,实现了包含足部转动的动态步行,且机器人满足稳定性条件,不发生滑动,从而证明了该方法的有效性和可实现性。第三,保证双足机器人步行的稳定性是所有控制任务的重中之重,本文针对用滚动优化实时步态规划方法得到的拟人步行双足机器人步态轨迹,分析了模型失配和地面环境变化条件下稳态多步步行的鲁棒周期稳定性问题,证明了多步与单步周期稳定性的一致性。通过对时间轴的离线积分,仿真分析了模型误差和速度跃变误差对极限环存在性和收敛速度的影响。第四,基于滚动优化的双足机器人实时步态规划可以归纳为含分段状态约束的非线性预测控制问题。考虑到实际机器人控制时有些约束条件必须严格满足,同时为了提高计算效率,本文在状态约束隐式法的基础上提出了一种改进的快速数值算法(约束变换法)。考虑到状态约束有效作用域在预测时域内的分段特点,通过状态约束的取模和平滑处理,将分段状态约束转化为与目标函数相同的正则形式,转化后的状态约束连续可微,从而可以由相同Hamiltonian方法计算目标函数和状态约束函数对控制参数的一阶导数。最后,单纯基于滚动优化的双足机器人实时步态规划方法需要在每一采样时刻在线求解含状态约束的动态优化问题,求解过程复杂,计算量大。此外,基于滚动优化的实时步态规划方法预测时域长度固定,没有覆盖整个步态周期,需要设置大量虚拟运动学约束和动力学约束来保证双足机器人步态轨迹的拟人性和稳定性。因此本文提出了将滚动优化与虚拟被动步行相结合的实时控制策略,分析了虚拟重力条件下七连杆机器人机械能的变化特点,设计并确定了满足该变化特点的各关节输入转矩。通过优化调整各连杆虚拟倾角、期望速度和步态周期终点系统状态参数,使得摆脚落地后下一周期起始时刻机器人状态与期望值偏差最小。与单纯采用滚动优化的实时步态规划方法相比,该方法优化参数少,预测时域长度可变,保证了下一周期起始时刻机器人步态的合理性和最优性。仿真分析表明,该方法实现了包含足部转动的动态步行,地面环境不变条件下多周期运动起始点满足周期稳定性条件。