四足机器人目前正成为足式移动机器人研究的一大主流方向。本文主要面向解决四足机器人现阶段研究中存在的两个问题,即四足机器人运动过程中的位姿控制问题和运动过程中的轨迹跟踪优化问题。利用虚拟模型控制和模型预测控制的方法,进行了动力学建模和控制问题的相关研究,主要包括以下几个方面:立足于解决目前四足机器人研究中所面临的问题,充分调研四足机器人当前的最新研究成果及应用前景,并分析总结现有解决方案中的优缺点,明确四足机器人构型设计方案及其控制算法研究的入手点和必要性。在参考国内外四足机器人主流构型的基础上,结合课题要求和实际情况,设计一种全肘式四足机器人构型,采用12个关节伺服电机和18个自由度(包括6个身体自由度和12个关节自由度)。主体结构采用高强度铝合金和碳纤维材料,利用安装在机体顶部和前部多个视觉摄像头,构建机器人基于视觉的运动测量系统,足底安装六维力传感器,用于接收足底触地的力信号。根据四足机器人动力学模型的特点,提出一种四足机器人动力学模型化简原则,将四足机器人基体与腿部动力学模型进行解耦,并分别推导了基体与腿部机构的运动学与动力学模型,以及四足机器人足底与地面接触力模型。最后在动力学仿真软件MBDyn中,建立了完整的四足机器人虚拟样机模型。从四足机器人常用步态类型出发,重点分析爬行Crawl和对角小跑Trot两种典型步态的特征。然后结合相关方法来计算摆动足的期望落脚点,并选用经典的摆线函数来规划足端的摆动轨迹。最后基于足端触地信号来设计和规划腿的运动时序,分别规划爬行和对角小跑步态的步态逻辑时序和判断流程,为本文其他几点研究内容中相关的仿真和试验研究打下基础。针对四足机器人的位姿控制问题,提出一种改进的融合位姿的虚拟模型控制方法,通过在四足机器人基体上构建虚拟构件(弹簧器、阻尼器),得到四足机器人的虚拟模型控制率,并将基体速度作为期望输入到腿部机构控制器中。对于支撑相和摆动相分别采用阻抗控制和虚拟模型控制,结合推导的腿部动力学模型,计算得到各腿部关节计算力矩。在动力学仿真软件MBDyn中进行仿真,提出四足机器人运动效能概念,设计了多种仿真工况,检验了所设计的控制器的有效性,并测试了在不同的路面特性对四足机器人运动效能的影响。考虑四足机器人在实际环境中的复杂运动路线及运动多约束情况,结合模型预测控制处理多约束且在线优化的特点,设计了基于模型预测控制的四足机器人轨迹跟踪优化控制器,包括基于四足机器人运动学模型的离散线性化误差状态空间表达式、目标函数和运动约束条件的设置。设置不同的仿真工况,测试了不同速度和不同控制参数设置下,轨迹跟踪控制器的优化跟踪控制表现。