双足机器人具有人类的外观特征并直接模仿人类的步行方式,因而可以适应人类的生活和工作环境,能够代替人类完成各种作业,具有广泛的应用前景。为提高3-D双足机器人动态步行的规划效率,发展3-D双足机器人动态步行的渐近稳定控制与切换控制方法,实现不确定性扰动下3-D双足机器人动态步行的鲁棒控制,本文依托国家自然科学基金面上项目“双足机器人多源随机不确定性建模与智能控制及其动力学仿真实验”(11372270)、“3-D双足机器人步态切换与多目标优化以及随机不确定性鲁棒控制方法”(11772292)以及重大研究计划培育项目“仿人机器人刚-柔-软多体耦合动力学建模与全身协调控制方法”(91748126),开展了 3-D双足机器人的动态步行及其控制方法研究。论文的主要研究工作以及章节安排包括:第一章介绍了双足机器人的研究背景与意义,综述了双足机器人步态规划方法、步态控制方法、切换控制方法以及鲁棒控制的研究现状,分析了现有研究尚待解决的问题,进而提出了本文的研究内容。第二章介绍了 3-D双足机器人动态步行研究中需要用到的一些基础理论和方法,主要包括动力学建模方法、虚约束方法、周期步态规划方法、混杂零动态与庞卡莱映射方法以及基于事件的反馈控制方法。第三章对3-D双足机器人的动态步行规划进行了研究。首先,基于虚约束与非线性约束优化方法,规划了 3-D双足机器人的初始步态;然后,对初始步态的虚约束进行参数化,并建立了步态周期性与参数间的数学关系,进而基于牛顿-拉夫逊迭代算法研究了初始步态的修正原理;最后,通过分析步态修正迭代方程的收敛条件,提出了一种初始步态的修正步骤。第四章研究了非对称3-D双足机器人动态步行的渐近稳定控制。首先,通过设计启发式变量作为控制变量,结合虚约束与混杂零动态方法,提出了一种基于启发式变量的运动控制器,该控制器使机器人的状态轨迹收敛到混杂零动态流形;然后,为实现混杂零动态的渐近稳定,在非对称3-D双足机器人的每个连续运动相设计基于事件的反馈控制器,通过建立各连续运动相控制器参数与控制目标间的显式关系,提出了一种控制器参数的解析设计方法。第五章研究了3-D双足机器人动态步行的切换控制。首先,基于庞卡莱映射方法,通过建立基于事件的反馈控制器参数与控制目标间的数学关系,提出了一种基于事件的自适应反馈控制器,以实现目标步态的渐近稳定;然后,为引导机器人的状态轨迹从当前步态达到目标步态的邻域范围,并保证机器人的步态切换过程满足物理约束条件,提出了一种切换控制器,该控制器的参数设计通过求解非线性约束优化问题来实现。第六章对不确定性扰动下3-D双足机器人动态步行的鲁棒控制开展了研究。首先,建立了不确定性扰动下的动力学模型,研究了不确定性扰动下机器人的稳定性分析方法;然后,针对不确定性扰动下的3-D双足机器人,基于滑模控制理论,提出了一种自适应滑模控制器;最后,结合落地速度控制与自适应滑模控制器,研究了非平整路面下的鲁棒控制。第七章基于GTX-Ⅲ型仿人机器人样机开展了步行仿真与实验研究,包括非平整路面的步行实验以及外部扰动下的步行实验。首先,对GTX-Ⅲ型仿人机器人样机的机械结构以及控制系统进行了介绍;然后,基于ADAMS仿真平台搭建了GTX-Ⅲ型仿人机器人的虚拟样机;接着,基于落地速度控制对机器人进行步态规划,并选取机器人的躯干角度作为反馈控制变量。第八章总结了本文的研究工作与结论,并对今后的研究工作进行了展望。