摘要
随着制造业技术的发展，社会生产的要求不断提高，机器人的工作场景也不再局限于简单的室内，开始向环境复杂的室外转变，因此对移动式机器人运动能力和控制能力的要求也随之提升。以四足动物为模板的四足机器人凭借其功能的全面性、运动的高效性、控制的智能性等特点，迅速成为移动式机器人中的佼佼者，被广泛运用于抢险救灾、地形探索、物品运输等多个领域。在实际应用中，四足机器人需要以较快的运动速度平稳到达目标点，此时机器人的运动稳定性与越障能力成为较大的影响因素，也是衡量机器人性能的重要指标，因此对四足机器人运动稳定性与越障能力的研究具有重要的实际意义。 本文以结构简单、控制稳定的电机驱动式四足机器人为研究对象，从轨迹规划与控制方法两个方面入手，结合仿生学运动规律，围绕运动速度较快的对角小跑与跳跃步态，开展关于四足机器人运动稳定性与越障能力的研究，主要工作内容如下： (1)建立了四足机器人简化模型，使用D-H法与几何解析法对正、逆运动学进行求解，推导了运动学位姿矩阵与转换方程，为本文的轨迹规划奠定理论基础，并使用MATLAB机器人工具箱对方程进行仿真验证； (2)对机器人进行动力学分析，根据拉格朗日方程，建立关节的动能与势能方程，推导了机器人腿部关节的力矩方程，在弹簧负载倒立摆模型特性的基础上，对四足机器人的运动进行简化分析； (3)将仿生学抬脚后摆与落脚前摆动作与贝塞尔曲线结合，对对角小跑步态进行轨迹规划，提出了一种仿生学贝塞尔轨迹，与复合摆线、三次多项式、五次多项式轨迹进行仿真比较，发现仿生学贝塞尔轨迹有效减少了足端冲击力，使机身俯仰角变化降低了一半，提高了机器人对角小跑步态的运动稳定性； (4)对竖直跳跃与向前跳跃步态进行轨迹规划，提出了一种带有收腿动作的越障前跳轨迹，能够提高四足机器人的越障能力，为实现越障前跳的稳定控制，发展了一种基于三分控制的补偿控制法，能够改善机器人跳跃收腿时关节力矩与机身俯仰角的变化，提高了机器人越障前跳步态的稳定性。 (5)搭建四足机器人联合仿真平台，在ADAMS中对仿真环境与四足机器人模型进行设定，在MATLAB/Simulink中建立轨迹规划、运动学、动力学模块，通过联合仿真对本文所规划轨迹与控制方法进行验证。
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