如何让双足机器人象人一样奔跑起来,一直以来是科技工作者们持续研究的热点和难点。以人类的奔跑动作为例,它包含了单足倒立稳定问题,双足倒立稳定问题,人体姿态控制问题和人体平衡态的破坏与重建问题。人体的脚关节、膝关节、髋关节等关节相当于倒立摆的摆杆连接点,人体各关节之间的骨骼相当于倒立摆的各级摆杆,可见多级倒立摆就是人体奔跑运动的物理模型,其倒立平衡问题的本质与双足机器人奔跑问题的本质一致。不仅如此,等摆长多级倒立摆系统也是火箭发射、机械臂和自平衡小车等系统的物理原型,它们的运动规律和控制机理具有高度相似性。同时因本文使用的多级倒立摆为等摆长配置,较内短外长型摆长配置具有更强烈的非线性、耦合性和自不稳定性,使得等摆长多级倒立摆的研究具有相当的挑战性和趣味性。因此本文选用等摆长三级倒立摆作为研究平台,旨在研究双足机器人等类人形机器人快速奔跑起来的平衡本质,同时为体操机器人、自由连杆、机械臂等复杂系统的运动控制提供一个新方法、新框架和新角度。现有的多级倒立摆控制方法普遍存在稳摆初始条件狭窄的问题,体现在对人提摆的要求特别严苛,间接说明了现有控制方法的抗干扰性和鲁棒性有待提高。对此本文以“在较大初始条件下实现等摆长三级倒立摆稳摆控制,且提出的控制方法应具有较强抗干扰性,鲁棒性和广泛适用性”为研究目标,并将其分解成三个关键问题:(1)扩大等摆长三级倒立摆稳摆初始条件区间;(2)有效滤除等摆长三级倒立摆系统测量噪音;(3)进一步划分等摆长三级倒立摆非线性区域,形成最终解决方案。针对研究目标和拟解决的三个问题,开展的具体工作如下:首先,利用拉格朗日原理建立了等摆长二级倒立摆和等摆长三级倒立摆的非线性微分方程组并进行参数辨识,通过线性化,得到其垂直向上位置的线性状态空间表达式,为后续控制方案的分析和设计奠定基础。接着,针对等摆长多级倒立摆稳摆控制初始条件区间狭窄的问题,在相平面上划分出线性区和非线性区,提出滞环模糊自校正仿人智能控制器,仿真和实时实验证实该控制器可有效扩展等摆长多级倒立摆的初始条件区间。然后,针对倒立摆系统噪音污染问题,提出一种改进型卡尔曼滤波器,将稳态卡尔曼滤波技术和渐消记忆法结合起来,形成一种设计稳态卡尔曼滤波器增益矩阵的方法,既满足运动控制对实时性的较高要求,又能克服滤波器的模型误差,仿真和实时实验证实该方法可有效滤除测量噪音,减小各级摆杆的随机抖动。最后,针对等摆长多级倒立摆非线性区域较大的问题,在相平面上自然延长线性区域的分界线,从而将整个相平面细分为九个区域,在不同区域实施参数不同的PD控制,形成了九点PD控制器,再将滞环结构自校正机制与九点PD控制器结合起来,提出滞环九点自校正仿人智能控制器,联合改进型卡尔曼滤波器形成等摆长三级倒立摆综合控制方案,实现了等摆长三级倒立摆的实时控制,使稳摆初始条件区间扩大到正负10度,并首次在控制参数不变的情况下实现了不同摆长配置的三级倒立摆的稳摆控制。实验证实该方案具有较强抗干扰性、鲁棒性和广泛的适用性。