仿人机器人具有和人相似的外观特征,可以在人类生活、工作的环境中自主活动,具有较强的环境适应能力,能够代替人类完成各项作业等,因此具有广阔的应用前景。然而,稳定行走是仿人机器人实现所有功能的基础,如果不具备行走能力,仿人机器人就失去了“仿人”的意义。此外,步态规划又是双足机器人稳定行走的首要条件。如果不生成机器人各关节的轨迹,机器人就不知道下一步该如何动作。目前大部分的学者在规划步态时仅考虑单支撑期而将双支撑期作为一个瞬间过程忽略。实际上,双支撑期是双足机器人步态的一个重要组成部分。在双支撑期,机器人支撑脚与地面形成的支撑多边形比单支撑期大得多,地面反力能够提供更大的力矩,对机器人状态具有更好的调节作用,从而使机器人控制具有更强的鲁棒性以及抗干扰能力。本文从多个角度对含双支撑期的步态规划方法进行了研究,并分析了双支撑期对提高机器人行走性能的作用。本文的创新点与主要研究内容如下:1.双足机器人脚与地面的碰撞动力学研究。双足机器人行走过程中,脚与地面的碰撞是不可避免并频繁发生的事件。单支撑期结束时摆动脚与地面碰撞可能会出现两种结果:单碰撞和双碰撞;基于地面和机器人各杆件均为刚体且碰撞瞬时发生的假设,推导出碰撞方程的解及存在性条件;提出一种根据后脚地面反力区分碰撞类型的分析方法,并研究了碰撞前机器人运动条件与碰撞类型的关系;以平面五连杆模型为例,研究两种碰撞的可行域,为后续章节的轨迹规划提供理论依据。2.基于质心简化模型的步态模式研究。线性倒立摆模型是一种有效的简化模型并被许多研究者采用,但是线性倒立摆模型只能规划单支撑期的质心轨迹。提出线性倒立摆和线性正摆相结合的步态模式,分别规划单支撑期和双支撑期质心轨迹;分析步态的稳定性;提出基于该步态模式的灵活行走方法,可以实现双足机器人在多种情况下的稳定行走并进行仿真验证。3.基于工作空间的轨迹规划方法研究。基于工作空间的步态规划是常用的步态规划方法,其核心思想是规划机器人特定部位在工作空间的轨迹,通常是规划髋部和双脚的轨迹,然后由逆运动学得到机器人各关节的角度。介绍基于工作空间的常用步态规划方法;从提高行走效率角度出发,对髋部高度和躯干角度两方面分别对步态进行改进;对改进前后步态的能耗进行了比较,并分析改进步态节省能量的原因。4.基于关节空间的轨迹规划方法研究。提出含有双支撑期的欠驱动双足机器人轨迹规划方法,利用双支撑期的调节作用,克服单支撑期的欠驱动对干扰抑制能力弱的缺点。建立五连杆平面欠驱动双足机器人模型;利用虚拟约束方法设计单支撑期轨迹,用多项式函数设计双支撑期的独立关节轨迹,确定优化问题所需的参数;用优化技术求解待定参数,对结果进行仿真。5.基于最优控制的轨迹规划方法研究。介绍了最优控制数值算法的分类,还介绍了通过直接配点法如何将轨迹优化问题转化为非线性规划问题;提出的改进的HermiteSimpson配点法;给出动力学方程和周期行走约束,将求解最优轨迹问题转化为非线性规划问题;用不同的配点法方法对最优轨迹问题,并对几种方法的性能进行比较;最后,对所求解进行误差估计。6.双支撑规划对提高步行性能的作用研究。给出不含双支撑期的步态设计方法,分析其收敛条件及吸引域;给出包含双支撑期的步态设计方法,同样分析其收敛条件及吸引域;两种步态进行比较,发现双支撑期的加入可以增强步态的收敛性、加快运动的收敛速度。