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欠驱动双足机器人高效行走控制研究

1绪论

本章首先对机器人双足运动研究的背景、意义以及国内外的发展现

状进行了概述，之后对目前已有的双足运动控制方法进行了较为详细的总

结，最后对于本文的结构以及研究内容进行了简要的介绍。

1.1

目前，多数移动式机器人产品采用的运动方式为轮式运动，这种运

动方式的相关技术较为成熟，有着稳定性高，控制简单，实现方便等优

势，在一般的硬质路面上可以保证机器人安全平稳的运行。然而，比较复

杂的运动环境常常会导致轮式运动无法正常运行。例如在阶梯型路面或是

松软泥宁的路面上，轮式机器人会出现移动困难甚至无法移动的现象。另

外，这种运动方式通常在转弯时需要一定的转弯半径，难以实现原地转

弯。履带式运动可以当作轮式运动的一种升级，在这种运动方式中，履带

作为一种构建平直路面的工具，使这种运动方式有着比轮式运动更好的环

境适应能力，可以使机器人在环境相对较差的路面运行，并且可以实现上

下楼梯以及原地转弯等运动。但是，在一些不规则形状的路面上，履带式

运动也可能失效，如军事中的反坦克锥型路面就可以有效阻止坦克的前

进。另外，在平地中运行时，履带会保持与地面的连续接触，占地面积比

较大。对于一些越障问题，履带式运动仍然难以解决。相对于轮式运动和

履带式运动而言，足式运动在环境适应性方面有着得天独厚的优势。在足

式机器人的运动过程中，脚板可以主动与地面保持离散式接触，通过选择

合适的落脚点来跨越障碍物。可见，足式运动从本质上有着适应复杂环境

的能力，可以轻易地通过阶梯型路面以及松软泥疗的路面。甚至在履带式

运动所无法通过的反坦克锥型路面上，足式运动也可以成功的前进。

另一方面，足式运动是人类以及动物所釆用的运动方式，采用足式

运动的仿生机器人可以更好地融入人类的生活。例如，仿人机器人有着和

人类相似的外形，在交流以及亲和力方面有着其它机器人难以匹及的优

势，并且可以完美的适应人类的生活和工作环境，是未来代替人类从事较

高危险性工作的最理想机器人。同时，对足式运动的研究也可以揭示人类

运动的一些规律，一些研究成果可以用于设计制造关节助力装置以及相应

的假肢产品，有助于肢体伤残患者的康复性治疗，甚至可以使残疾人重新

获得运动能力。

1.2背景及研究现状

本文的研究工作是在国家自然科学基金项目：从被动性和欠驱动性

上研究高效仿人双足运动的资助下完成的。旨在针对于目前仿人机器人运

动中所存在的能耗高，行走效率低的缺点，从机器人被动行走以及欠驱动

行走中找到双足高效运动的一些规律，并以此为基础提出双足机器人的结

构设计以及改进方法，在提高机器人行走效率的同时保证行走的稳定性。

下面对目前国内外双足机器人的研究现状进行简要的总结。

机器人身高约1.9米，重150公斤，身上配备了两个视觉系统：一

个激光测距仪和一个立体照相机。其手部拥有精细的动作技能，可以灵巧

地抓取物件。在双足运动方面，机器人可以在崎祖的地形行走和攀登。另

外，该机器人有着良好的平衡能力和环境适应性，可以实现大步幅快速行

走，抵抗地面环境在一定程度上的变化，并且当铁球突然撞击身体后可以

保持单腿稳定站立。现已成为目前世界上综合能力最强的仿人机器人。

前面所介绍的这些仿人机器人在运动控制方面主要釆用基于零力矩

点的控制方式，这种控制方式可以保证机器人运动的稳定性，但是存在着

能耗大，运动效率低的缺点，如机器人，当机器人的电池充满电后也只能

行走1小时。目前仿人机器人运动能耗大，运动时间短的缺点已经成为此

类机器人的发展和应用的一个主要障碍。

这些机器人虽然被称为基于被动式动态行走的机器人，但是机器人

中存在一些主动关节为机器人行走提供动力，因此这种机器人从严格意义

上说属于准被动机器人或欠驱动机器人。由于欠驱动机器人可以实现高效

的行走方式，使许多研究人员将目光转移到欠驱动机器人的行走控制研究

中。

国内的仿人机器人在运动过程中同样采用了基于ZMP的控制方式，

机器人同样存在运动耗能大，运动效率低等缺点。根据目前国外双足运动

控制研究的高效率、低能耗的总体发展方向，国内的一部分研究人员也将

目光聚焦于被动行走以及欠驱动行走的研究中，并且取得了一些成果，完

成了一些样机的设计以及实验验证。

随着双足机器人产品的不断推出与升级以及实验用样机的不断研

制，双足运动控制的理论与方法也在不断地提高，本节对目前国内外双足

运动控制所依靠的主要理论和方法进