动态步行稳定性一直是双足机器人研究领域中的一个关键性问题。在双足机器人的二维步行实验中冠状面的平衡常被忽略,而实际应用到复杂环境中时,冠状面的平衡控制却尤为重要。本文探讨了一种双框架控制力矩陀螺(CMGs)解决双足机器人动态行走平衡问题的可行性。CMGs是一种动量交换装置,由偏转外框和飞轮组成,外框偏转改变了飞轮旋转轴的方向,会在与外框偏转轴和飞轮旋转轴两两正交的第三轴上产生一个无反作用的扭矩。通过适当的结构设计,输出扭矩到一个单独的轴,其中轴外的扭矩被抵消,可以帮助机器人本体恢复姿态平衡和减少跌倒。本文以欠驱动双足机器人为研究对象,以双足机器人动态步行的稳定性为目标,研究控制力矩陀螺的运动控制。主要研究内容包括:1.基于脉冲推力和髋部驱动的双足机器人动态步行控制建模。首先根据双足机器人动态步行特点分为四个阶段,将其归纳为时间连续的摆腿过程和时间离散的脚碰撞过程;通过引入髋关节结构解决PDW模型脚擦地问题,提出了带伸缩膝关节的最简模型;最后利用拉格朗日力学对其建立动力学模型,研究基于脉冲推力和髋部驱动步行方法的稳定性问题。2.基于倒立摆模型对控制力矩陀螺进行站立抗扰动控制。首先根据双足机器人动态步行的单腿支撑期特点,建立双框架控制力矩陀螺倒立摆模型。为了控制飞轮框架产生稳定力矩,本文采用三个PID控制器对系统进行闭环控制,以系统稳定性和快速响应为优化目标,通过物理仿真验证和硬件实物测试,在机械结构精度不高的限制下也表现出了良好的控制效果。实验结果表明,约7kg的双框架控制力矩陀螺,能够在0.25s内迅速将倒立摆拉回平衡位置,表现出不错的动态响应能力。3.研究在三维环境下由控制力矩陀螺稳定的欠驱动双足机器人的动态步行控制策略。我们将双框架控制力矩陀螺水平对称安装在双足机器人髋部,通过适时的力矩控制,应用陀螺力矩在双足机器人矢状面,同时保证了侧倾和俯仰方向的稳定性。并通过物理仿真软件V-rep进行了物理仿真,导入实际的物理参数,仿真结果验证了结构和控制方法的可行性。本文最后对已经实现的仿真和实验进行了总结,所提出的结构和控制方法可被广泛应用于机器人领域和平衡应用,是一种主动稳定系统的设计方案。