四足机器人的腿式结构使其能够利用地形中离散的可支撑区域行走,因而能够很好地适应不规则的地形或崎岖地形,在军事和民事方面都具有广阔的应用前景。四足机器人在复杂地形中行走时一般采用自由步态,这种步态中腿的摆动顺序和步幅可以根据地形环境进行调整,因此能够很好地发挥其地形适应能力。本文主要研究了四足机器人在分布有障碍物的地形上的越障自由步态规划问题,为了降低规划空间维度,将越障自由步态规划问题分解为高层的自由步态序列规划和低层的足端越障轨迹规划,并分别设计了基于A*搜索算法的步态规划算法,以及基于轨迹运行时间和关节能耗综合优化目标的足端越障轨迹规划算法,最后研究了在动力学环境下的四足机器人自由步态运动控制仿真。首先,结合四足机器人自由步态运动特点,提出了一种四足机器人平面简化模型,设计了步态运动的离散化表示方法,将连续的步态规划问题转换为离散的步态序列的规划问题;考虑了越障、稳定性和足端工作空间等约束设计了步态状态转换的规则,并用图表示离散化的步态,设计了以步态序列长度最短为优化目标的步态规划算法。仿真结果表明,该算法规划的步态序列是稳定可行的,摆腿顺序及其步幅得到了优化调整,使落足点避开了障碍物从而实现了越障,同时步态序列长度得到了优化。其次,分析了足端越障轨迹需要满足的约束条件,采用基于优化目标的轨迹规划方法,选取了轨迹运行时间和关节总能耗作为综合优化目标;在关节空间内以分段多项式曲线构建了关节轨迹,并设计了基于遗传算法的轨迹规划算法。仿真结果表明,该算法规划的足端轨迹连续光滑,腿部各部位未与障碍物发生碰撞,轨迹的运行时间和能耗均得到减小和降低。最后,对四足机器人自由步态的运动控制进行了研究,重点设计了基于提高稳定性的重心位置调整算法,采用了基于有限状态机的控制逻辑实现对自由步态运动状态的判断和运动顺序的控制。在ADAMS-Simulink联合平台下的仿真实验表明,采用规划的自由步态行走的四足机器人跨越了障碍物,稳定裕度达到设定的期望值,落足点位置偏差较小,机体的姿态平稳,从而验证了规划步态的可行性及控制算法的有效性。