地球上陆地多为崎岖不平的非结构地形,仅靠轮式或履带式机器人无法完全实现在上述环境下的移动。因此,设计和制造出类似动物运动方式的足式机器人,以完成非结构环境下的各项任务,一直以来是移动机器人研究人员追求的目标。由于仿生四足机器人在运动特性上,既具有优于双足机器人的稳定性又避免了六足等多足机器人结构的冗余,使得其在野外勘探、军事侦查、灾难救援等复杂环境下有着广阔的应用前景和社会效益。仿生四足机器人运动性能的好坏是机器人机身结构系统、动力驱动系统、运动规划系统和运动控制系统等单元共同决定。本文基于本课题组的第一代LCS仿生四足机器人的设计理念,结合仿生学和机构学的相关知识,针对现有机器人在运动灵活性、稳定性等方面的不足开展了相关的研究工作,其中涉及仿生机器人腿部设计与优化、机器人步态规划、运动控制系统搭建、物理样机验证等内容。具体的研究工作如下:(1)以四足哺乳动物作为机器人腿部仿生对象,设计具有弹性连杆机构的腿部结构。基于SLIP模型对机器人的腿部连杆参数进行优化设计,得到腿部驱动关节变量与SLIP模型描述参数之间的数学关系,在结构上实现机器人腿部的运动控制解耦。针对所设计的腿部进行运动学和动力学分析,求解单腿的工作空间并与第一代LCS仿生四足机器人进行对比,得到优化后的LCS-Ⅱ仿生四足机器人单腿工作空间与LCS仿生四足机器人的工作空间进行对比。(2)对四足动物和机器人典型的运动行为方式进行相关研究,并分别从足端轨迹和步态的角度对所设计的LCS-Ⅱ仿生四足机器人运动进行规划。首先,基于腿部的等效SLIP模型,分别对足端着地相和飞行相的轨迹进行设计。然后,以静态步态和动态步态两种运动方式分别对不同环境下的机器人运动方式进行规划。针对四足机器人的静态运动,提出间歇行走步态的规划,并研究四足机器人原地转弯步态。以对角步态和遛步步态作为四足机器人的动态运动形式。对对角步态运动中出现的后腿拖地现象和遛步小跑时机身单侧横滚的幅度等问题进行研究,以保证机器人的平稳运动。(3)结合仿生四足机器人的结构设计和运动规划,对机器人运动控制软硬件系统进行设计。引入基于模型设计的思想,结合低成本控制硬件Arduino系列开发板作为运动控制器,提出基于机器人足端反力的反馈控制策略。在Simulink软件平台上搭建出LCS-Ⅱ仿生四足机器人的运动控制系统,实现控制硬件的在环仿真测试,并对运动系统的任务控制流程进行阐述。(4)完成LCS-Ⅱ仿生四足机器人物理样机和实验平台的搭建。通过对LCS-Ⅱ仿生四足机器人间歇行走步态、对角原地踏步、对角小跑等实验中机身姿态数据和足端压力数据的分析,比较实验结果和理论分析的一致性。与第一代LCS机器人相关特征数据进行对比,对比得出改进后的效果。验证所提出的仿生四足机器人结构设计和运动控制策略的合理性和正确性,为仿生四足机器人设计提供了一种实现的方法,具有一定的理论和使用价值。