四足仿生机器人因其出色的运动能力和优异的负载能力,在野外运输、行星探测、军事作战、反恐救援等非结构化环境下扮演着不可替代的角色。四足机器人的运动能力和负载能力很大程度取决于机器人的机械本体结构、驱动系统以及智能控制系统。本文从机器人的机械本体结构的角度出发,针对现有四足机器人在腿部惯量、承载能力、抗冲击性能等方面的不足和在运动学上存在多自由度耦合,着地过程中瞬时冲击效应等问题展开深入研究,其中涉及了四足机器人机械本体结构设计与三维建模、多目标结构参数优化、运动控制方法、仿真及样机实验等方面,得到了以下研究成果:(1)对足式哺乳动物腿部形态和常见足式机器人的结构原理进行了详细分析,提出了一种足式机器人腿部结构设计方法,设计了一种结构简单、响应速度快、抗冲击性强的新型足式机器人腿——LCS-leg。该机器人腿采用弹性连杆机构和线驱动系统,有效降低了腿部惯量和着地冲击力,提高了机器腿的响应速度和减振抗冲能力。使用复数矢量法和D-H方法建立LCS-leg的运动学模型,基于此模型求解足端工作空间,结合四足机器人关节配置形式,完成了LCS四足机器人的结构设计。针对LCS四足机器人进行了着地相动态静力学分析,求解得到各关节力矩与足地接触力关系。(2)通过分析弹簧负载倒立摆(SLIP)模型的运动机理和足式机器人越障性能要求,提出了基于SLIP模型和足端工作空间的多目标优化方法。建立了基于SLIP模型的轨迹误差评价函数和基于越障性能的足端工作空间评价函数。采用Matlab/Isight联合优化设计方法,选用AMGA算法进行优化计算。计算结果表明,优化后的机器腿运动机理与SLIP模型中的等效弹簧腿相似,简化了运动控制模型,降低了运动控制难度。优化后的足端工作空间面积增加了67.78%,跨过障碍物的能力提高了78.88%。(3)基于SLIP模型建立了LCS四足机器人的运动控制方法。建立了基于质量-弹簧倒立摆模型的单足机器人动力学模型,采用关节功能解耦的思想,设计了基于着地角控制的前进速度控制策略和基于能量补偿的质心高度控制策略,使用平面三杆模型建立了姿态控制策略。采用多关节控制方法,搭建了LCS四足机器人各关节运动控制方法,解决了LCS四足机器人运动控制问题。(4)基于Adams/Simulink联合仿真平台,分别搭建了弹簧直腿单足机器人、LC-leg和LCS-leg单足机器人、LCS四足机器人虚拟样机及其运动控制模型。弹簧直腿单足机器人仿真结果验证了运动控制算法的正确性;LC-leg和LCS-leg单足机器人仿真结果表明LCS-leg的运动稳定性更好;LCS四足机器人仿真运动过程中其前进速度、质心高度和机身姿态角度的控制效果良好,同时能达到稳定的周期运动,实现了LCS四足机器人平稳的运动控制。(5)通过弹性连杆机构的结构设计和关节驱动的设计,完成了LCS四足机器人机械本体的设计、控制-传感系统的构建等工作,最终搭建了LCS四足机器人样机实验平台。通过LCS四足机器人原地踏步、具有小型障碍物的对角小跑以及越障等相关实验。验证了样机设计方法和控制算法的正确性和有效性,具有一定的实用参考价值。