核电站事故现场环境极其恶劣,伴随着大量的核辐射,以及事故产生的大量高温、高压的蒸汽,人类无法进入现场进行救灾任务,因此,对核电站救灾机器人的研究十分必要和迫切。由于在复杂救灾环境下,机器人的稳定平衡、重载灵活作业、能耗与时间的平衡分配、欠驱动行走等控制任务的实现极为困难,因此将救灾机器人主从控制与自律协同的研究作为核电站紧急救灾机器人基础科学问题之一是具有重大意义的。本文以实现核电站复杂的非结构救灾环境中机器人的稳定控制问题为目标,以救灾六足机器人为研究对象,对机器人的建模、步态规划和控制问题进行了深入的研究,主要的研究内容如下:1.本文在对救灾六足机器人机械结构和拓扑结构分析的基础上,建立了救灾机器人的运动学模型。并对所建立的运动学模型进行分析求解,得到机器人的反解模型。针对救灾六足机器人作业时需要同时满足稳定性和快速性的要求,为机器人选择了合理的步态。2.针对核电站救灾现场的非结构的复杂环境,本文设计了综合考虑机器人机构特性和环境约束的MPC控制器。通过对救灾六足机器人的非线性的混合动力学系统的建模分析,以及对机器人腿部关节的非周期运动分析,利用横向线性化技术,将本文复杂的非线性模型转换到一个新的线性空间,并保证转换后的系统模型的动力学特性与原模型保持不变。在新的空间下设计了MPC控制器,在设计MPC控制器的时候同时考虑到机器人实际作业任务中的系统约束,将机器人的俯仰角和滚动角限定在一个很小的范围内。3.针对核电站救灾现场的恶劣环境有可能对救灾机器人的关节执行器造成损害,使机器人发生故障,本文设计了容错的MPC控制策略,以使机器人在关节发生故障的情况下仍然可以继续行走作业。通过对机器人可能发生的故障进行分析,以跟踪理想运动轨迹和最小化能量消耗为目标函数,综合考虑杆长条件、几何结构、运动平衡性和边界条件等约束,建立了机器人欠驱动的运动轨迹优化模型,设计了容错的MPC控制策略,实现了对机器人的容错控制。4.综合考虑救灾机器人作业时能耗和救援时间两方面的要求,设计了最优控制器。能耗和救援时间是两个矛盾的目标,为了解决它们的平衡分配问题,第一步首先对救灾机器人进行建模分析,通过对救灾机器人模型的分析,定义出能耗的优化控制问题,进而通过对步态参数的优化,包括机器人行走时的步长、步高和其它两个参数,来最小化机器人的能耗。第二步,利用Pareto最优来解决能耗和救援时间没有度量衡的问题,进而解决它们的合理分配的问题。5.针对本文所使用的救灾六足机器人的样机平台,搭建了机器人的软件系统,通过对其调试,进行了一系列的实验研究,验证了机器人在本文所设计的MPC控制器的作用下对非结构地势及动态环境的的适应能力,同时,也验证在本文设计的最优控制器的控制下,机器人的救援时间和能耗达到Pareto最优。