● 摘要
随着科学技术的不断发展，机器人在现代社会中扮演着越来越重要的作用，足式机器人较轮式、履带式等机器人能够更好的实现模拟动物行走的行为，且作为机器人研究的重要领域近年来取得了一定的研究成果。作为足式机器人研究领域的一个分支，其较强的承载能力及良好的环境适应性，使四足机器人的研究与实际应用紧密的联系在一起，并已成为机器人领域的重要研究方向。目前，四足机器人的研究及其相关技术已在运输、抢险、救灾、娱乐、教育等方面得到了广泛的实际应用。
虽然自上世纪60年代以来，经过几十年的发展，四足机器人的研究已经形成了相应的理论并取得一定的成果，且国内外相关机构及研究所也研制出了各种类型的实物样机，但四足机器人的研究是一个复杂的系统工程，尤其在四足机器人步态规划及稳定性控制方面的研究还没有形成更为具体的理论体系，离实际应用还有着一定的差距。本文在现有液压四足机器人实物样机的基础上针对步态规划、运动学分析、动力学建模及仿真、稳定性研究、多目标步态参数优化设计、实物样机测试及系统改进方案的制定等几个方面进行了详细研究，主要涉及内容如下：
通过参照对比马、狗等多种典型四足动物步行过程及运动规律，并在总结已有的四足机器人步态规划方法及理论的基础上，结合稳定性研究要点，在满足机器人运行过程中足底与地面冲击小、摩擦小、质心波动小的前提下，建立四足机器人各条腿的力学及运动学模型，设计出一种适用于四足机器人常态稳定行走的对角步态规划方法，并将该方法用于实验室机器人的步态规划，求解出所需要控制的各腿部关节转角的运动节律数据，得出满足机器人可行性及稳定性要求的步态参数，且该方法已成功地用于实现机器人的对角步态行走。
在完成机器人对角步态规划的基础上，结合为实验室样机自主设计的控制算法原理，为实现四足机器人由静止状态顺利进入稳定行走状态，并再次由稳定行走状态进入站立停止状态，分别建立了四足机器人启动过程及停止过程的数学及物理模型，并设计出了多步变步长启动步态及单步停止步态，从而实现了机器人运行的整个步态规划，且最终完成了机器人的离线对角步态规划并在Matlab软件GUI界面中实现了步态数据的生成。
以前述设计的四足机器人对角步态规划方法及运动学模型为基础，建立四足机器人对角步态运行时的物理模型，研究了机器人在以对角步态运行过程中的姿态倾角与机器人结构参数及步态参数之间的关系，分析了质心位置对机器人稳定性的影响，并得出了合理的质心规划区域，提出如何通过调整结构参数以使机器人质心移动至某一合理区域来间接增加并保证机器人行走过程中的稳定性，且该质心规划法具有直接性，不需要复杂的控制过程和算法，仅从硬件结构上保证机器人的稳定性且具有一定的实际意义。
基于足端轨迹规划的四足机器人对角步态，采用Matlab实现了步态规划软件的设计，并将规划得到的数据在Adams动力学仿真分析软件中实现了机器人的行走过程模拟仿真及数据后处理，仿真结果进一步验证了该步态规划方法及质心规划方法保证稳定性的合理性。
建立四足机器人平稳性、能耗、快速性三个目标函数，采用NSGA-II遗传算法对四足机器人步态参数进行优化，并将得出的最优解及最优步态参数导入步态规划软件中以生成步态数据后用于实现机器人的对角步态行走，经仿真测试可知机器人采用优化后得出的步态数据具有更好的稳定性。