1.1 研究目的及意义

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，从60年代初问世以来，经历五十多年的发展已取得长足的进步，机器人在人类生活中发挥着越来越重要的作用。例如智能机器人在农业、医学、航天、甚至军事上的应用，智能机器人的出现将会解放很大一部分的劳动力，使得人们可以更好的完成既定的工作，完成人无法完成的高风险的任务。在医学上可以做更加复杂的医疗手术，更好的医治病患，以最大限度的减小手术带来的不良反应。 尤其以NAO机器人为代表的双足机器人，具有更加灵活、更加拟人的优点，可以代替人类完成一些危险的工作。

然而，双足机器人的一切活动都是基于机器人本身能够保持平衡，可以应对不同的地表环境保持站立稳定的前提而言的。双足机器人的步行系统是一个内在不稳定的系统，其动力学结构十分复杂，具有多变性，强耦合和非线性等特点，并且其脚掌相比于其身高更是很小，使其本身为一个不稳定的系统。此外，机器人在工作的同时，难免受到外界的干扰，例如外界的碰撞，地表的高低不平或者障碍物。所以，研讨如何保持机器人的平衡就显得尤其重要了。本文在前人研究的基础上，对保持站立静止的机器人施加不同方向，不同大小的外力，研究踝关节策略是如何保持机器人平衡的。

踝关节策略是机器人受外力干扰下保持自身平衡的一种最基础的策略，此外还有髋关节策略和迈步策略。三种应对策略是针对不同大小的干扰力而采取的，当干扰力较小时，踝关节策略是通过力矩控制就可以维持平衡，当干扰力较大时，通过踝关节策略无法保持平衡时，则采用髋关节策略和迈步策略。但现实生活中，机器人更多的是受到外部小的干扰力，比如不小心的碰撞，所以研究踝关节策略的如何保持机器人的平衡具有很大的意义。

1.2 国内外研究现状

世界上最早的双足机器人诞生于1968年，是美国通用汽车公司研制的名为Rig 的操纵式机器人，它只具有踝关节和髋关节两种基本关节，通过操纵者的力反馈来保持平衡。当今，在机器人平衡领域具有较高成就的国家有日本，美国等发达国家。对稳定性具有较好控制性的机器人有Petman，美国波士顿动力公司的该款机器人在机器人平衡方面处于世界领先水平，它在站立静止时及行走时都具有较好的稳定性。踝关节策略和髋关节策略是近年来保持机器人平衡的常用方法。Kanzaki.S等研究机器人在人类的日常生活环境中，当机器人受到外界的碰撞时，采用预测控制的方法来维持机器人的平衡。Baek-Kyu则提出根据外界扰动力的大小，采取不同的应对策略。当扰动力小时，采用踝关节力矩来控制，外力较大时，采取姿势平衡和落地点调节的控制方式。

国内在机器人平衡研究部分方面具有较高的理论成果，但是机器人系统样机方面却与国外有较大差距。随着机器人领域的发展，各大高校的重视，国内在机器人研究领域也具有较大的成果。如北京理工大学的“BHR”，“汇童”，哈尔滨工业大学的“HIT”系列的双足机器人，国防科技大学的国内首个仿人机器人“先行者”，清华大学的“THBIP”、“THR”系列机器人等。此外东北大学、上海交通大学、中国科技大学等高校在机器人研究领域也得到很多理论成果。

在国家的大力投入下，各高校在机器人平衡方面做出了许多工作，也获得了很多成果。哈尔滨工业大学根据倒立摆模型提出了一种平衡恢复方法，且提出了迈单步策略实现平衡。上海交通大学对扰动平衡采取一种加速度映射方法，来保证机器人的动态平衡。也有学者提出建立多个模型，根据不同的外界干扰力采取不同的平衡策略。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

NAO机器人是一款人工智能机器人，在学术领域世界范围内有着广泛的运用。踝关节策略是一种常见的平衡控制方法，在NAO机器人的步态控制和扰动平衡中具有重要的研究意义。本课题要完成的目标是基于踝关节策略的NAO机器人平衡控制方法的研究与实现，即借助NAO机器人平台，对机器人施加不同方向、不同大小的干扰力，研究踝关节策略，通过力矩控制是如何保持机器人平衡的。主要完成的内容有：