传统四足机器人大多采用刚性躯干。而自然界的四足动物普遍具有可自主运动的躯干,其在奔跑、跳跃、转弯、攀爬等一系列行为中都伴随着躯干的运动。动物的躯干运动形式主要包含扭动运动、拱仰运动和扭拱混合运动。受此启发,本论文提出躯干可自主运动或变形、实现上述运动形式的灵巧躯干四足机器人,重点研究灵巧扭动躯干对四足机器人带来的影响。主要内容分为以下四个方面。1.灵巧躯干四足机器人仿生特性。从对四足动物的行为观察入手,总结其躯干运动的三种形式:扭动、拱仰和扭拱混合运动。找出能够实现上述运动形式的连杆机构。将上述机构引入四足机器人的躯干结构中,得到灵巧躯干四足机器人。因此,灵巧躯干分为灵巧扭动躯干、灵巧拱仰躯干和灵巧扭拱躯干。对四足动物三种躯干运动形式的有效模仿构成灵巧躯干四足机器人的仿生特性。2.灵巧扭动躯干四足机器人运动学建模及其工作空间分析。基于质心坐标公式和矩阵变换方法分别求解质心位置和髋关节位置关于躯干扭动角度的表达式,此即运动学正解中灵巧扭动躯干四足机器人区别于刚性躯干四足机器人的特性问题。基于矩阵变换方法求解在特定躯干扭动角度下的四足机器人腿部关节角度关于足端位置坐标的表达式,即运动学逆解问题。在此基础上,通过对质心和足端位置的计算得到机器人的躯干工作空间和足端工作空间。对比同尺寸刚性躯干四足机器人,发现灵巧扭动躯干可增大四足机器人的躯干工作空间和足端工作空间,其增大幅度与躯干扭动角度的绝对值正相关。灵巧扭动躯干通过上述两种工作空间对机器人步态和稳定性产生重要影响。3.灵巧扭动躯干四足机器人步态规划。步态规划是四足机器人研究的基础问题之一。本论文解决引入躯干扭动运动的连续性静态步态和对角小跑步态的规划问题。连续性静态步态方面,从观察壁虎的爬行步态入手,设计机器人的动作序列。基于足端工作空间和几何方法求解步长与躯干扭动角度的数量关系。对比刚性躯干四足机器人,发现灵巧扭动躯干有助于提高步长。由此找出步长增量与躯干扭动角度的数量关系,以及步长与躯干扭动角度的单调性关系。结合上述关系和步态动作序列求出机器人的最大步长。结合几何模型和数值计算方法解决机器人运动学裕度问题,从而完成连续性静态步态规划工作。对角小跑步态方面,从观察蜥蜴的奔跑步态入手,设计机器人的动作序列。利用与连续性静态步态中相似方法求出步长与躯干扭动角度的数量关系。基于零力矩点方法计算机器人质心的运动轨迹,从而得到躯干扭动角度的变化规律。从而完成对角小跑步态规划工作。通过仿真与实验验证上述步态规划的可行性。结果表明,灵巧扭动躯干四足机器人具有比刚性躯干四足机器人更高的运动速度。4.灵巧扭动躯干四足机器人稳定性分析。稳定性分析也是四足机器人研究的基础问题之一。本论文从静态稳定裕度和动态稳定裕度角度,分别研究灵巧扭动躯干对四足机器人静态稳定性和动态稳定性的影响。在连续性静态步态下考察机器人行走时的纵向稳定裕度。在站立状态下考察机器人的动态能量稳定裕度。给出两种稳定裕度与躯干扭动角度之间的数量关系及单调关系。通过与刚性躯干四足机器人的对比,发现灵巧扭动躯干有助于增强机器人的稳定性,其增强程度与躯干扭动角度绝对值正相关。通过仿真与实验验证上述结果。两种稳定裕度研究结果表明灵巧扭动躯干四足机器人具有比刚性躯干四足机器人更高的稳定性。