双足机器人是机器人研究领域的一大热点,经过几十年的发展,世界各国出现了很多能够实现稳定步行的双足机器人。但是与人相比,这些机器人在步态、步行速度、步行稳定性等方面还存在较大差距。传统的双足机器人设计中常常忽视了前脚掌在机器人步行中的作用,近年来通过相关学者的研究发现前脚掌对机器人实现类人步态、提高步行速度、提高步幅步长等方面具有重要作用。本文设计了一种带前脚掌的机器人脚部机构,并对其主被动控制问题进行研究。通过几何构型对带前脚机器人在机器人步行中的作用进行分析,证明了带前脚掌的机器人在使机器人获得自然步态、较大步长和抬脚高度、较快步速等方面具有优势,并结合机器人倒立摆模型和ZMP稳定判据推导了带前脚掌机器人在步行中的前脚掌关节受力情况,为前脚掌关节的机构设计提供理论基础。通过对不同方案的对比分析确定了脚部机构的设计方案。推导了脚部机构方案中重要机构和结构参数与机构输出力矩的关系。建立了在不同机器人前脚掌转动角度与角速度下,以机构输出力矩与前脚掌理论需求力矩偏差的均方根(RMS)和最大值为目标的优化模型,并利用遗传算法对优化模型进行了求解。在得到优化的机构和结构参数后,完成了脚部机构的具体结构设计。对脚部机构中最重要的可调阻尼器,进行了FLUENT软件的仿真分析。最后对机器人脚部机构的主被动控制阶段进行了划分,利用仿人智能PID控制算法设计了脚部机构的控制器。规划了适用于带前脚掌机器人稳定步行的ZMP轨迹和踝关节轨迹,并结合预观控制理论和机器人逆运动学得到了机器人各关节运动样本。利用ADAMS和MATLAB/Simulink分别建立了带前脚掌机器人的虚拟样机和脚部机构的主被动控制模型,利用规划的机器人样本对主被动控制策略进行仿真,实现了前脚掌关节对期望关节轨迹的跟随,证明了控制策略的有效性。