机器人学作为交叉学科,汇集了当今机械、电子、自动化控制和计算机等相关领域的研究成果,是当前世界科技研究最为前沿的领域之一。相对于传统的轮式机器人,双足机器人的运动学结构使其能适应人类生活和工作环境,实现人-机共存。然而将双足机器人应用于人类日常生活仍存在技术问题尚待解决,例如机器人本体性能不足所导致的行动能力差、行走速度缓慢,机器人轨迹规划和控制方法的鲁棒性弱所导致的抗干扰能力差、高速行走稳定性差、行走速度难以提高等等,以上问题制约了双足机器人的推广及应用。相比国外尤其是以美国、日本为首的双足步行机器人的领先水平,我国在该领域的机器人本体样机设计、运动系统构建、步态轨迹生成与优化控制等方面仍存在较大差距。本文围绕如何提升双足机器人运动能力、步态控制及步态稳定性等问题开展研究工作,目的在于不断完善相关参数设计方法和控制理论体系,以此设计出高性能指标的双足机器人样机,实现具有抗扰动能力的稳定行走,进一步缩小与国外机器人研究水平的差距。为解决以上问题,提高双足机器人运动能力和行走稳定性,本文开展了以下研究。1、由于在复杂行走环境中双足机器人在全驱动与欠驱动状态之间切换,传统建模方法仅能在足底与地面全接触的条件下保持运动稳定性。针对该问题,首先对双足机器人动力学模型进行分析,研究传统的双足机器人7连杆动力学模型,引入浮动基方法对双足机器人进行动力学建模,在双足机器人脚掌与地面有相对滑动的情况下仍可以保持准确的躯体姿态,进而提高步态的稳定性。同时,基于足旋转状态下的足尖接触FRI判据,扩展传统ZMP判据的应用范围。然后结合双足机器人动力学分析、行走稳定性判据及行走环境等影响因素,给出保证机器人稳定行走的多种约束条件,作为步态轨迹规划的基础。最后基于动力学对双足机器人倒地过程进行分析,通过力控降低机器人倒地时所受的冲击伤害。2、针对现有人形双足机器人本体运动能力不足的问题,采用多目标参数优化方法设计高性能的双足机器人样机。首先通过分析机器人设计需求,提出机器人样机关键指标,然后将参数设计过程视为多目标最优化求解问题。通过双足机器人步行优化分析建立机器人行走过程中步行速度、行走稳定性和性能需求之间的函数关系。以步行速度、稳定性和性能需求为优化目标,给出优化目标函数。提出基于非线性多目标优化得到目标参数最优集的方法,通过该方法得到目标参数集。进一步结合基于物理引擎的步态仿真,对机器人的自由度配置、结构设计、运动性能和行走效果评估,在整机方面验证参数设计的有效性。同时通过合理选取机器人腿部的驱动机构等方法进行结构优化,从而在同等质量下获取更好的机器人关节驱动效率。最终完成双足机器人样机参数设计,与国外同规格机器人相比,机器人样机具有更轻的质量及更大的输出扭矩。3、针对三维线性倒立摆的轨迹规划方法具有轨迹跟踪精度低和运动鲁棒性差的问题,提出基于全身动力学模型与二次规划的双足机器人系统控制方法。在三维线性倒立摆的冠状面和矢状面的行走轨迹规划中引入DCM质心轨迹反馈跟踪控制,并分析DCM算法跟踪精度。提出利用摩擦锥模型描述机器人脚掌与地面的接触状态,结合各项约束条件求解足底接触力及各个接触点的接触力矢量,提出基于逆动力学的关节力控轨迹跟踪方法。最后构建轨迹接触点序列与参考接触点序列的偏差代价函数,提出了一种基于PD控制的二次规划最优控制器。实体机器人实验表明该系统控制方法相较于位置控制方法更加柔顺和鲁棒。4、为进一步提高机器人步态算法的鲁棒性,分别研究行走过程中机器人内部扰动和外部绕扰动的抗干扰方法。针对机器人行走过程中内部扰动,首先从双足机器人行走相衔接平滑等方面降低角动量影响。然后通过分析简单质点模型及全身角动量模型,提出了基于全身角动量的优化轨迹生成方法,并利用该方法生成CMP参考轨迹。根据CMP参考轨迹,求解DCM轨迹并提出一种质心轨迹的求解算法,实现了行走轨迹优化。实验证明,相对于简单质点模型,基于全身角动量模型的轨迹优化方法提升了机器人对内部扰动的抗扰能力。针对机器人行走过程中的外部扰动,研究机器人受推检测方法及受扰动后的平衡恢复方法和限制。基于轨道能量分析提出了动态捕获点位置求解方法,求解出机器人受推时的落脚点,构建受推后的浮动基稳定性抗推策略,控制机器人在行走状态下受到扰动后恢复平衡。综上所述,本文围绕提升双足机器人本体性能及运动鲁棒性相关问题展开研究工作,目的是从理论上设计并实现一种性能强劲的双足机器人样机,配合完善的理论模型并设计先进的最优轨迹控制框架,从理论和方法上提高机器人步态行走的鲁棒性,在一定程度上促进我国仿人机器人相关研究的发展。