双足步行是自然界非常完美,而且节省能量的一种行走方式。近年来,双足机器人的研究发展迅速,吸引了各国研究者。由于双足机器人技术复杂,研究成本高,模块化成为这一领域的发展趋势。本文以德国AMTEC公司生产的PowerCube模块为基础,进行双足机器人的步行研究。首先以人类行走模式为蓝本,结合PowerCube模块的实际情况,确定双足机器人的自由度数目和自由度的位置分布。利用三维造型软件Pro/E对PowerCube模块进行三维造型,同时设计相关的连接件。按照相同的自由度数目和不同位置分布方式,设计了三种不同结构的双足机器人,并对其优缺点进行了分析,然后选定其中一种结构作为本文研究的双足机器人结构。在三维模型的基础上,为了数学分析的需要,对实际的双足机器人结构进行合理简化,得出双足机器人的数学模型,对其进行了正运动学和逆运动学分析,推导出双足机器人运动学的正解和逆解计算公式。在步态规划阶段,对双足机器人的步行过程进行分解,把连续的步行运动分解成相应的许多小步,再对每一小步进行规划。在双足机器人数学模型的基础上,把双足机器人抽象成倒立摆,以双足机器人行走过程中ZMP在脚底的位置不发生变化,运用倒立摆模型的运动规律,分计算质心和摆动腿,对双足机器人进行步态规划,推导出各部分的规划函数。以二维倒立摆模型为基础,利用测地线的短程性提出一种新的双足机器人能量优化方法,并对这一方法进行了初步探讨。基于二维倒立摆,构造倒立摆的能量函数,以能量优化为目标把能量函数映射成黎曼曲面,推导出黎曼度量矩阵。在能量曲面上利用测地线的短程性,通过求解测地线微分方程组,得到各控制变量和能量在运动过程中的变化趋势。最后把步态规划函数与本文所设计的具体双足机器人结合起来,得出双足机器人的规划结果,并绘制了相关曲线图。然后,把双足机器人的三维模型导入ADAMS软件,对双足机器人进行运动学仿真,验证了运动学分析和步态规划的有效性。