双足机器人稳定性与控制策略综述：现状与未来趋势

本文主要探讨了双足机器人稳定性与控制策略的研究进展。双足机器人，因其模仿人类行走的自然特性和复杂动态特性，一直以来都是机器人学研究的热点。文章首先分析了双足步行模型的几个关键特性，包括单边约束（意味着只有一侧脚接触地面）、混杂性（即系统的非线性和不确定性），以及变拓扑结构，这些特性直接影响了机器人的运动性能和稳定性。 核心的稳定性评估方法有两个方向：一是基于零力矩点（Zero Moment Point，ZMP）的姿态稳定性判据，它通过计算机器人重心与支持足底之间的力矩平衡来确保稳定性；二是庞加莱映射（Poincaré Map），这是一种数学工具，用于分析系统的周期行为，帮助理解步态的稳定性边界。文章提出了一种新的分类方法，根据质心和ZMP与支撑凸多边形的关系，将双足运动的动态程度进行区分，这对于理解和控制机器人的运动有着重要意义。 在控制策略方面，文章总结了两种主要的策略：一是基于轨迹规划的时变控制策略，这种方法允许机器人灵活地适应环境变化，但可能需要实时更新路径，计算负担大；二是基于虚拟约束的定常控制策略，虽然简化了控制过程，但可能限制了机器人的灵活性。这两种策略各有优缺点，适用于不同的应用场景。 然而，尽管在硬件和算法上取得了显著进步，如本田公司的ASIMO机器人，但双足步行机器人的实际应用仍面临挑战。瓶颈主要在于基础理论的突破，包括如何设计更有效的控制器，解释和实现更复杂的步态控制，以及如何在复杂环境中自主决策。未来的研究将致力于解决这些问题，推动双足机器人技术向实用化迈进。