题目：双足机器人爬楼梯的步态规划

双足机器人可以在各种复杂环境下具有较强的行走能力，楼梯是复杂环境的典型代表。因此，双足机器人的爬楼梯性能是衡量其行走能力的一项重要指标。本文针对双足机器人NAO 爬楼梯的步态规划问题作了如下几方面的研究工作：首先，从人类爬楼梯的运动学机理出发，分析了机器人爬楼梯过程的运动学特征，建立了正、逆运动学模型。其次，设计了机器人爬楼梯的离线步态，将双足机器人的爬楼梯运动解耦为在矢状面的前向运动和在冠状面的侧向运动，对于起步、中步和止步阶段，采用基于倒立摆和连杆的参考轨迹法，计算其质心和踝关节中心点的参考运动轨迹，并根据逆运动学模型，得到了全身关节角序列。再次，设计了机器人爬楼梯的在线步态控制器，分别设计了阻尼控制算法、ZMP 反馈校正控制算法和落地控制算法，并结合算法调度器，生成了在线步态控制器；针对每个算法在MATLAB-Simulink 环境中进行仿真，验证了算法的有效性。最后，分别基于NAOSim 和NAO 进行了虚拟样机仿真和物理样机实验，实验结果表明，身高58cm 的NAO 可以攀爬高5cm 的楼梯，也验证了本文所采用的“离线步态设计+在线步态控制”方法的合理性和有效性。本方法在双足机器人NAO 上的实施，为NAO 的实用化、工程化和市场化奠定了坚实的理论基础。