摘要
近年来，随着自动控制理论、计算机技术、机器学习及人工智能理论的快速发展与彼此融合，智能机器人系统得到迅速发展，包括轮式、足式、以及轮足复合式机器人都展现出了前所未有的研究热潮。本论文对四足多关节式运动机器人展开研究，主要研究内容包括四足机器人的对角步态运动控制以及遇到障碍后的反应式控制行为，从理论和软件仿真层面验证策略的可行性。 首先，针对四足机器人的对角小跑步态运动控制问题，本文采用基于足端轨迹规划的运动控制方法，在对四足机器人运动学分析的基础上，进行了平地无障碍足端轨迹规划。将四足机器人在三维空间内的运动解耦为前后运动、侧向运动和竖直平面内的足端运动，基于对角步态分别规划三个方向的运动轨迹，再通过轨迹合成获得最终足端轨迹。针对多关节连杆的运动学逆解过于复杂的问题，采用基于微分运动学的速度前馈控制方法，通过关节角度调节实现规划的足端轨迹的无差跟踪，为了增强机器人受到外力扰动时机身的稳定性，设计了基于双支撑腿高度调整的机身姿态控制器，实现了机器人稳定的对角小跑步态。 其次，针对四足机器人遇到近距离障碍物的避障问题，提出了基于接触力优化的单步急停避障策略：首先建立了支撑腿接触力与作用在躯干质心上的虚拟力的映射关系，基于零力矩点(ZeroMomentPoint，ZMP)稳定判据和接触力内接棱锥模型，建立具有不等式约束的线性规划问题，并采用内点法求解该线性规划问题，求出最优的足端接触力，使作用在机器人质心的虚拟力最大的同时保证机器人ZMP点在急停过程中落在支撑平面内且足端不产生滑动，从而保证机器人机身急停过程中的稳定性。 再次，为了在检测到障碍物后改变机器人运动方向，设计了基于原地转向和圆周转向的反应式避障策略：首先根据障碍物距离确定所用的避障策略，如距离过近，则采取原地转向策略改变运动方向；如有一定距离，则采取圆周转向策略，根据机器人运动速度确定可行的转向半径及转向角速度，基于该转向半径及转向角速度，运用矩阵参数法确定每个周期中摆动足在三个方向上的位移，并在三个方向上规划了足端运动轨迹，最终合成为足端在三维空间的轨迹，并使用设计的足端轨迹跟踪控制器实现转向运动达到避障目的。 最后，针对上述研究方法，利用Matlab/Simulink仿真软件及Webots机器人仿真软件分别对其进行求解和仿真，并验证所提方法的有效性。
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