● 摘要
四足机器人不但具有较强的负载能力，而且能够适应各种不同的外界地理环境，既能以稳定的静态步态缓慢平顺地运动，又能使用稳定的动态步态快速地跑步, 是机器人领域的一个重要研究方向。同时，开展四足机器人相关技术的研究在运输、救灾、抢险、教育、娱乐等方面都具有一定的现实意义。20世纪60年代至今，经过50多年的发展历程，四足机器人领域已经形成了一些基本理论，并有部分研究机构和学者研制了许多款各具特色的四足机器人物理样机，但是，由于大多数现有的四足机器人样机仅停留在实验阶段，其运动速度、负载能力、稳定性等方面都不能达到实用化要求，所以，目前，机器人的运动方式还是以轮式移动为主，但足式移动确实存在很大的潜力。为了解决四足机器人稳定运行的关键问题，提高四足机器人实用化水平，挖掘应用潜力，本文以具有高动态特性和高负载能力的液压驱动的四足仿生机器人为研究主体，以步态和稳定性为核心研究内容，在足端轨迹规划、运动学建模与分析、虚拟样机仿真、稳定性保证、物理样机实验等方面做了深入研究,主要内容如下:
（1）通过对步态基本参数的解释和典型步态运动原理的分析，了解仿生步态的基本原理；分析基于模型、智能控制和生物控制的步态规划方法的优缺点，为步态规划方法的探索奠定基础，同时，通过对四足动物和四足机器人的稳定性判定理论的分析，选择泛稳定裕度作为稳定性评价根据，为后期四足机器人的稳定性判定提供数据论证的科学依据；根据步态基本原理、基于模型的步态规划方法以及稳定性判定原理，提出了满足稳定性要求的步态规划思路。
（2）针对对角步态，在抗翻倒方面，采用倒立摆模型推导抗翻倒系数，以保证四足机器人在运动过程中不发生翻倒现象，同时，在冲击、波动、打滑、惯性四个方面保证机器人运动的平衡性，进而提出了基于抗翻倒和平衡性的完整的稳定性保证方法。
（3）针对对角步态基本运动机理，建立四足机器人运动学模型，并进行正向和逆向求解，推导出足端位姿与各关节角度之间的数学关系，为步态规划提供数学模型基础；同时，在典型的摆动相和支撑相的运动轨迹模型基础上，提出了通过离散点建立轨迹和采用三次样条插值法生成步态数据的方法；结合对角步态规划方法和稳定性保证理论，提出了基于稳定性分析的步态规划方法，并在稳定性理论的指导下，能够得到各个关节的运动规律，并在Matlab中通过运动学仿真说明了得到的步态运动规律能够满足各条腿运动的仿生、位置关系要求。
（4）结合所研究的步态规划方法，利用Matlab GUI编写步态自动规划软件，实现了步态的快捷、自动规划。
（5）将四足机器人的三维CAD模型导入到动力学仿真和分析软件ADAMS中，进行简化处理、零件定义、约束和驱动添加等工作，并利用满足稳定性要求的步态规划方法得到的步态数据作为驱动规律，进行动力学仿真。多种步态参数下的仿真结果证明了步态规划理论的合理性和正确性。
（6）按照控制系统对步态数据的要求，完善步态自动规划软件，实现控制软件和步态自动规划软件之间的数据交换。将经过运动学和动力学验证过的关节驱动数据应用到已搭建的液压四足机器人平台上进行实验，结果表明，机器人可以稳定的以对角步态运动，运动姿态的仿生性能较好，稳定性得到了较大的提高，验证了步态规划理论、稳定性分析以及仿真过程的正确性。