相比野外探索及崎岖地形运输,室内及城市服务场景逐渐成为四足机器人的主要应用场景,而该场景更适合体型小巧、操作简易的中小型四足机器人。但是中小型机器人由于体型限制难以配备高性能传感器和执行器,且还需完成室内及城市服务场景的多种任务目标,这就给四足运动控制方法的简便性和有效性提出了新的要求。传统基于模型的分层优化控制虽然达到的动态控制性能优越,但是依赖于准确的物理建模和高性能的力矩驱动器;基于仿生概念的分布式关节控制虽然结构简单,但是依赖于经验化的调参过程,控制效果差强人意。这两种方法都不能很好地满足小型四足机器人在室内及其他规则环境下的多任务控制要求。针对以上问题,本文构建了一个基于仿生概念的具有并行结构的多单元节律运动生成框架。该仿生框架结合了传统的基于模型的控制方法以提升其对四足机器人的控制性能,进而综合了仿生控制方法的简单性和基于模型控制方法的有效性,更加适合小型四足机器人的多任务运动控制。根据运动基元的生物学概念,该框架通过定义机器人所需的基本运动和叠加运动,然后将他们线性叠加生成机器人行进所需的复杂运动。基本运动和叠加运动分别由多个平行的运动生成单元独立生成,他们的输出均为足底位置轨迹,但是具有不同的物理功能。其中,基本运动定义了机器人基本的步态,包括步幅、速度等;叠加运动则定义了机器人平移、旋转和维持稳定的运动内容,从而提升机器人的灵活性和稳定性。得益于该框架使用的动态运动基元振荡器模型,框架可以实现多种运动状态的在线实时切换,且可以自行生成平滑的过渡状态无需人为介入。该框架定义了运动生成的基本架构,其中运动生成单元的具体内容随着应用场景的不同而变化。基于提出的框架,本文研究了三个具体场景之中的四足机器人运动控制问题:1.四足机器人的平面多状态行走控制。该研究解决了基本的起步、运行和停止问题,并利用零力矩点控制和足底轨迹补偿的前馈控制方法实现了稳定的行走步态;利用足底速度控制生成四足机器人的侧移和旋转运动,最终利用框架的低通特点实现机器人在前进、后退、侧移和旋转状态之间的实时平滑切换。此外,该研究也在仿真环境中讨论了利用倒立摆模型实现行走步态侧推顺应控制的相关内容。2.四足机器人的侧推交互控制。该研究首先利用前馈足底轨迹补偿实现了四足机器人对角步态的前进和侧移控制。其次,利用实验平台具备脊椎关节这个特点,该研究在框架的运动生成单元中使用了虚拟模型控制和稳定裕度控制,进而大幅提升了机器人的抗侧推能力,使其在大幅值侧向推力下仍能保持平衡并维持原有前进路线。最终实现了机器人在小幅值侧推下主动侧移,而在大幅值侧推下维持原前进路线的人机交互方式,更加符合通常情况下的交互体验。3.基于蹦床的四足机器人跳跃运动控制。该研究实现了四足机器人在蹦床上的直跳跳跃和蹦跳跳跃控制,并可以在维持跳跃稳定的同时进行旋转和平移运动。该研究使用框架的平行多模组结构进行跳跃运动的状态控制,并利用足底力平衡规则保持机体稳定,利用运动学关系实现前进、平移和旋转的灵活运动。本研究还分析了直跳跳跃高度的自收敛性,并简要分析了以刚性腿在弹性表面上跳跃与以弹性腿在坚硬表面上跳跃的异同,从而为后续实施腿部弹性机构设计和坚硬表面跳跃提供了算法设计参考。以上三项研究内容均在浙江大学机器人实验室设计的刚性腿四足机器人Horizon或EPFL Biorobotics Lab设计的柔性腿四足机器人Serval上进行了实物实验测试,验证了各项具体研究中提出的控制算法的有效性,同时也表明了框架对不同实验平台的适应性,最终说明了框架的简便性和有效性。