随着科学研究和工程技术的不断发展,机器人在人类社会中的作用日益凸显,然而由于作业环境越来越复杂,机器人的运动能力、环境适应性面临巨大挑战。研究者们希望借鉴自然界中生物的几何构型提高机器人的各方面性能,于是仿生机器人成为近年来的研究热点。其中,四足机器人是一种模仿四足哺乳动物构型和运动机理的仿生机器人,在适应复杂环境方面具有巨大潜力。但是目前的发展水平,尤其是国内的技术水平还远远没有达到预期,主要表现为速度低、能效低、柔顺性不足、对环境变化适应性差等现象。其主要原因为四足机器人系统复杂,步态种类多,动力学模型维数高,直接基于模型分析步态的动力学机理存在困难,而且如何提高四足机器人的柔顺性,在不完全已知的环境中保证运动中本体位姿的稳定性也是一项尚未完全解决的关键技术。本文针对对角步态四足机器人,对步态动力学机理、动态稳定性分析方法和环境适应性控制方法进行研究,研究内容和创新点主要包括:基于拉格朗日方法建立四足机器人整体动力学模型,分析本体位姿的能控性、静态稳定性,研究单个支撑期内对角步态的动力学机理。根据步态机理对整体动力学模型进行解耦和简化,通过将本体和对角支撑腿近似为一个三维七连杆模型和一个线性倒立摆模型,实现本体6个位姿自由度近似解耦为“5+1”形式。同时,对角摆动腿与本体和对角支撑腿近似解耦,将一个高维强非线性模型变换为多个低维模型,并且更加清晰的反映对角步态的动力学机理。在此基础上加入相邻支撑期之间的周期性切换过程,将单个支撑期内的近似动力学模型推广至整个对角步态运动过程,建立切换动力学模型,分析静态和动态情况下机器人本体位姿能控性、输入控制量数量、稳定性的区别与联系,作为本文的创新点之一。进一步地,从模型的角度分析地面不平整对机器人运动过程中本体位姿稳定性的影响,作为后续控制器设计工作的基础。针对四足机器人在不平整地面上行走过程中的柔顺控制问题,提出基于足端接触力控制的分层控制策略:底层为单腿控制算法。在摆动期和支撑期之间加入落足期,减小由于地面不平整引起的落足冲击力。利用单腿前向冗余关节,设计基于线性变分不等式(LVI)的摆动腿关节角速度和支撑腿关节驱动力矩优化算法,计算最优接地角,减小对关节液压作动器伸缩速度和输出力的需求。基于接地角虚拟约束,针对单腿动力学模型参数不确定性,分别设计支撑腿力/位混合鲁棒控制器和摆动腿操作空间位置鲁棒控制器,保证支撑腿足端接触力、摆动腿足端位置、接地角对期望轨迹的准确跟踪。上层为机器人本体位姿控制算法。针对本体动力学模型参数不确定和落足冲击力引起的有界干扰,提出基于自适应滑模的接触力分配算法,根据本体位姿误差计算支撑腿足端期望接触力,并且基于接触力冗余分量设计基于SCI系数的优化分配算法,减小支撑腿足端与地面之间的非预期滑动。基于以上分层控制策略,实现单个支撑期内三维七连杆模型本体位姿的渐进稳定。考虑相邻支撑期之间的切换过程,四足机器人系统由自治系统变为周期性切换系统。本文针对机器人在切换过程中的运动控制问题,基于切换动力学模型,开展了以下两个方面的研究,取得了理论和工程应用方面的成果:1、提出本体位姿一致稳定性、一致渐进稳定性判据;2、提出基于三维七连杆模型和基于线性倒立摆模型的切换控制器,证明了在切换控制器的作用下本体高度、姿态的一致渐进稳定性,本体水平位置误差能够收敛至与步态周期相关的有界区域内。并且针对台阶地形、受到侧向外力冲击情况、斜坡环境分别在切换控制器中加入虚拟接触力估计方法、一阶弹性阻尼模型、调整惯性坐标系与本体坐标系转换关系等策略,实现四足机器人以对角步态在不同环境中稳定行走。