哺乳动物经过亿万年自然的选择,进化出最优的骨骼参数和最佳的运动性能。千百年来效仿自然成为人类孜孜不倦的研究方向,从早期的“木牛流马”到现在的“步行车”无不体现着人类智慧的结晶。提取生物结构参数、效仿生物运动模式、挖掘生物神经控制方式是目前仿生学与机构学相结合的重要组成部分。四足机器人作为一种非线性、复杂的多体动力学系统,其不仅涉及仿生学、机构学、控制论等交叉学科,而且机体之间的关联性和耦合性较强,对其研究具有较大的挑战性,因此许多基础理论和关键技术有待深入研究。本文以四足机器人稳定性和环境适应性为研究目标,围绕结构设计、轨迹规划、步态控制模式等关键技术展开研究,为四足机器人步态及运动控制提供一定的理论基础,具体工作为:(1)对生物解剖学理论研究发现:犬类动物以跖行运动方式行走,具备高速的运动性能。本文以犬类动物为仿生对象,获得动物运动的最简形式,确定了整机的设计目标,完成四足机器人整机的设计与加工。根据D-H法获得了简化单腿的正逆运动学方程,利用运动学等效获得了实际四足机器人逆运动学方程,在机构关节转角范围内采用蒙特卡洛法分析了机器人的足端的工作空间。(2)现有的轨迹规划方法缺乏仿生特性,不符合生物运动规律。针对以上问题,本文提出一种基于足端零冲击的五次多项式足端轨迹方法,在水平方向的轨迹段上增加了后摆段和回缩段,使其更具备仿生特性,同时五次多项式二阶导数连续,其加速度曲线不再是一条直线,是一种理想的足端轨迹。采用SolidWorksSimMechanics联合仿真平台搭建了单腿控制系统,获得了单腿的运动参数。在单腿运动学建模仿真的基础上,搭建了ADAMS-Simulink联合仿真平台,采用延时模块获得了各腿之间的关节驱动角度的相位差关系,实现了整机的运动控制,仿真结果显示,机器人可根据规划好的轨迹实现walk步态和trot步态稳定行走。虽然机器人能够按照特定的步态行走,但是后腿出现严重的拖地现象,这是导致机体不稳定的重要因素。为了耦合环境信息且解决拖地问题,引入了闭环反馈控制,以达到机器人稳定的效果。仿真结果表明,机器人后腿拖地现象得到了明显改善。(3)为了达到降低能耗、提高行走效率的目的,机器人应该像哺乳动物一样根据地形条件选择合适的速度行走,这就涉及到步态转换问题,目前鲜有人探索轨迹-轨迹之间的步态转换。采用在转换点直接完成步态转换会导致驱动转角跃变,极大的影响四足机器人行走稳定性。本文选用足端零冲击五次多项式作为足端轨迹,在过渡段引入大周期关节驱动角和延时时间,提出了过渡段变周期控制,实现了驱动关节角的平滑过渡,解决了机器人通过轨迹-轨迹步态转换稳定性问题。在过渡段变周期控制的思想下,采用定速度控制和变步长控制分别完成了walk步态向trot步态转换。(4)采用Hopf振荡器数学模型搭建CPG网络拓扑结构,获得了参数对Hopf振荡器输出曲线的影响,确定Hopf振荡器参数的独立调节性能,为髋、膝关节驱动曲线的独立调节奠定基础。Hopf振荡器输出的谐波信号对双拍步态能达到良好的控制效果,但对于四拍步态因占空比变化导致支撑相和摆动相时间不一致,振荡器的输出曲线不能用于四拍步态,本文引入摆动相频率,改变支撑相和摆动相时间,实现了占空比的调节获得了理想的轨迹输出。通过ADAMS-Simulink联合仿真平台,实现了walk步态和trot步态。为了实现一种步态向另一种步态转换,往往是采用直接替换步态矩阵的方式进行,这种方式会导致机器人关节转角驱动曲线出现停振、锁相和尖角问题,导致速度和加速度突变。本文在CPG模型内部引入分段函数,构建Hopf振荡器与分段函数联合算法,通过实时改变右后腿相位差来改变机器人占空比,从而实现关节驱动曲线的平滑过渡,保证了机器人稳定行走。对比了基于CPG的步态生成方法和基于模型的步态生成方法,证明了CPG控制方法具有更高的稳定性。为了结合CPG神经控制模式和足端轨迹规划的优点,采用神经网络拟合功能,实现CPG模型与足端轨迹模型的非线性映射。(5)为了验证算法的有效性,本文在仿生学和运动学研究的基础上设计了一款名为KUST-canine的四足机器人,基于实验室现有条件开展了四足机器人的单腿运动控制实验,为了获得机器人腿部的运动轨迹,采用激光跟踪仪实时采集足端点集并利用SA软件的拟合功能获得了足端轨迹。实验结果显示,四足机器人能按照预期规划的轨迹运动,并实现了足端零冲击。在单腿运动控制的基础上进行了整机walk步态实验和trot步态实验,证明了所提算法的有效性。