自然界中的腿足式动物可以适应山林、草地、沟壑等各种复杂地形,而轮式车辆由于移动迅速、能效高而成为人类使用最广泛的运输工具。腿-轮复合移动机器人可以有效地结合二者的优点,达到两全其美的效果。自波士顿动力公司的Handle问世以来,国内外许多研究人员开展了对双腿-轮机器人的研究,按照驱动方式这些机器人主要分为电机驱动和液压驱动两种。相比于电机驱动,液压驱动具有功率密度高、负载能力强的优点。因此,对于液压双腿-轮机器人的研究更具有实践意义。目前关于液压双腿-轮机器人的研究尚处于起步阶段,相关理论体系还不成熟。本文着眼于高性能液压双腿-轮机器人的系统集成与运动控制,按照从液压驱动单腿到机载液压动力单元再到机器人整机集成的顺序,重点针对高弹跳液压驱动单腿机构设计与优化、单腿跳跃轨迹优化及变刚度缓冲控制、高功率密度机载液压动力单元设计与负载自适应控制、双腿-轮机器人的稳定控制以及高性能物理样机集成等方面展开研究,主要内容可归纳如下:1.针对传统铰接式关节运动范围小、力-位跳跃特性不匹配的问题,提出了大运动范围-高扭矩输出的液压驱动单腿优化设计方法,设计了兼具140°大关节运动范围且符合高弹跳力矩分布特性的液压单腿。首先,针对人体下肢骨骼结构开展生物力学分析,并结合双腿-轮机器人的运动特点构建了液压驱动单腿的等效简化模型。其次,通过引入四连杆机构扩大了膝关节运动范围同时获得了适用于跳跃的力矩分布,满足了机器人高弹跳的运动需求。然后,综合运用运动学与动力学分析方法建立膝关节参数模型,并通过非线性优化方法对连杆参数进行优化,得到了最优的膝关节配置。最后根据优化得到的膝关节,设计了液压驱动单腿物理样机,并以此为基础实现了液压双腿-轮机器人机械系统的集成。2.针对跳跃运动过程机器人效率发挥不充分及落地冲击力大的问题,受相平面理论与生物学弹跳机理启发,提出了最优跳跃轨迹规划与变刚度着地缓冲控制方法,实现了液压驱动单腿在50kg大负载下,跳跃高度达到1m并柔顺着陆的目标。首先,建立液压驱动单腿的浮动基运动学与动力学模型,为跳跃轨迹优化提供数学基础。其次,对液压伺服油缸的负载特性进行分析,获得液压缸输出力与活塞移动速度的数学关系。在此基础之上,利用数值迭代的方法将非线性动力学优化问题分解为多个简单的线性规划,从而获得最优的单腿起跳轨迹。然后,提出基于变刚度-变阻尼虚拟模型控制的柔顺着陆策略,将虚拟刚度和阻尼设置为时间的函数,以着地瞬间为起始时间,按照线性插值的方法实现刚度、阻尼参数从初始最小值到设定目标值的渐进递增。最后通过液压驱动单腿蹲跳实验对所提方法的有效性进行了验证。3.针对液压双腿-轮机器人姿态多变、内部空间狭小、携带电池容量有限等问题,提出了具有闭式正压回路的高功率密度机载液压动力单元设计方法与负载自适应控制策略,实现了机器人动力自主与高能效控制的目标。首先,对双腿-轮机器人的液压系统工作原理进行分析,以高转速电机驱动微型柱塞泵作为动力源,以低压蓄能器作为增压油箱建立闭式正压系统。其次,考虑到机器人在不同工况下对流量的需求差异较大,提出由泵源和高压蓄能器共同为机器人供能,有效提高了机载动力单元的功率密度。然后,对液压伺服系统产生能耗各个环节进行定性分析,提出基于负载感应的压力自适应控制方法,从而实现泵源与执行器的最佳功率匹配,提高了液压伺服系统的能量效率。最后通过机电液多物理场仿真以及物理样机实验对动力单元的性能和高能效控制策略的有效性进行了验证。4.针对双腿-轮机器人全阶动力学模型复杂、求解效率低、难以用于实时控制等问题,提出了基于分层解耦策略的多模式运动控制方法,实现了双腿-轮机器人的高动态稳定运动。首先,将双腿-轮机器人解耦为双轮子系统和腿-躯子系统,简化了机器人的动力学模型。其次,针对上述两个子系统,分别设计了时变线性二次调节器和模型预测控制器,实现了机器人的基本平衡与多模式灵活运动。然后,采用卡尔曼滤波对系统状态进行最优估计,提高了反馈信息的准确性。最后,通过在虚拟样机平台进行深蹲、抑制外部扰动、速度跟踪、全向运动、跳跃等多种运动模式的仿真,对控制方法的有效性和鲁棒性进行了验证。5.实现了液压双腿-轮机器人物理样机系统集成并开展了系列验证实验。首先搭建了以实时嵌入式系统为核心的双腿-轮机器人控制器,实现了上层运动控制算法与底层执行器驱动之间的有效结合。然后,在机器人机械结构和机载液压动力单元的基础之上,进行机械系统、动力系统和控制系统集成,搭建了液压双腿-轮机器人物理样机。最后,将分层解耦控制策略部署到样机上,进行深蹲运动、抗干扰、速度跟踪、原地转向和不平坦地形适应等实验,验证了控制方法的鲁棒性,证明了物理样机的可靠性。