腿型跳跃机器人具有很强的移动性、灵活性和弹跳越障能力,适合在非结构化环境里代替人类实现侦察、探测、救险和反恐等任务,是机器人研究领域的前沿课题。青蛙跳跃具有爆发性强、跳跃能力强的特点,本文以青蛙为仿生原型,研究了不带弹性元件、完全电机驱动的仿蛙机器人。因其跳跃过程是一个非线性、多变量、欠驱动的运动学和动力学强耦合过程,这使得其驱动性能约束下的起跳任务规划与控制问题的研究具有很大的挑战性。考虑到机器人在起跳时足与地面存在着被动约束,结合驱动约束条件,对运动与力的传递性能、起跳姿态优化、起跳任务规划与控制、腾空越障与姿态调整、着地冲击与稳定性等关键问题进行了研究,从而从整体上提高机器人运动能力,并通过仿真进行了验证。论文的主要工作如下:(1)仿蛙机器人建模与力传递性能研究基于运动仿生原理,根据青蛙的身体结构及其跳跃运动的特点,简化其关节和骨骼结构,建立了仿蛙机器人的机构模型。考虑到在起跳阶段机器人足与地面之间的被动约束,将其起跳动力学分析模型视为一个欠驱动冗余机械臂系统,建立了从关节驱动力矩到质心加速度的映射关系,提出了改进的动态方向可操作度作为机器人起跳运动与力传递性能的度量指标。(2)起跳初始姿态优化研究结合驱动约束和起跳动力学约束条件,提出了一种改进粒子群优化算法,将离地时刻质心速度和起跳过程中的能耗作为目标函数,优化了起跳姿态,提高了起跳性能;规划出了较为理想的起跳任务空间参考轨迹,并解决了因加速性能提高所导致的关节力矩幅值过大的问题。(3)起跳任务空间规划与控制探讨了给定起跳任务的仿蛙机器人的起跳运动规划问题。根据仿蛙机器人起跳任务空间要求,利用可变五次多项式规划了其任务空间轨迹;采用部分反馈线性化处理机器人主被动关节之间的惯性耦合问题,提出了基于部分反馈线性化的任务空间控制策略,并采用基于趋近的方法设计了滑模控制器跟踪质心的期望轨迹。(4)腾空运动的足尖越障和姿态调整规划为提高机器人的地形适应能力,给出了一种仿蛙机器人腾空越障和姿态调整的运动规划方法。该方法首先使用改进的任务空间偏置随机搜索树算法实现了足尖的腾空越障运动及身体姿态调整的初始规划;接着以足尖轨迹的初始规划为路径点,提出了三次样条曲线优化的方法,在满足足尖越障约束条件下实现了机器人足尖轨迹的光滑连续;最后基于角动量守恒原理和分解运动速度控制的思想,提出了预测校正控制算法,在速度层次上实现了仿蛙机器人任务空间内连续轨迹的跟踪。(5)着地冲击与稳定性分析考虑青蛙着地时足-地间的柔顺特性,采用均质柔性杆来模拟青蛙的前脚掌,并基于Hertz接触理论及非线性阻尼理论建立了足-地间的连续接触碰撞模型,进而采用假设模态法和Lagrange方法建立了机器人系统的刚柔耦合动力学方程;给出了仿蛙机器人着地稳定的基本条件和判别方法,分析了着地初始条件参数对着地稳定性的影响。本文有关跳跃机器人的起跳机理、力学特性、起跳任务规划、腾空越障规划以及着地稳定性条件与分析方法,对跳跃机器人的系统研究和应用推广提供了理论参考依据。