腿足式机器人理论上比轮履式机器人具有更强的环境适应能力,四足机器人比单足、双足机器人具有更加优越的运动稳定性,比六足机器人具有更加简洁的机构和易于实现的步态控制,已成为地面机器人的重要研究方向。目前四足机器人主要采用爬行、溜蹄、对角、奔驰等步态,相对来说对角步态不仅有较快的移动速度,而且也是几种步态中能量效率最高的。对角步态作为一种动态步态,其运动稳定性与控制技术是世界范围的研究热点。四足机器人是一种多支链、强耦合、多变量和非线性的复杂系统,建立其运动学和动力学模型是步态规划、稳定性分析及步态控制的基础。建立了基于D-H参数的四足机器人运动学模型,通过运动学分析获得了腿机构从笛卡尔空间到关节转动角度空间转换的雅克比矩阵,为步态规划、足端轨迹规划以及运动控制奠定了理论基础。通过对四足机器人各构件质量分布进行简化,采用Newton-Euler方法建立了四足机器人动力学模型,获得了各构件的速度、加速度、关节力、关节力矩解析方程,为四足机器人步态仿真和控制奠定了基础。针对对角步态中由于重心引起的绕支撑对角线翻转问题,在不忽略腿足质量情况下建立了四足机器人倒立摆动力学模型,将对角步态简化为绕支撑对角线的摆动。动力学分析获得到了实现摆动腿与支撑腿切换时消除重力影响的对角步态重心运动规划。足端轨迹满足摆动腿落地的平稳性和运动的连续性要求,使四足机器人能够快速平稳地跨步。Pro/E和Adams联合仿真实验验证了对角步态规划的合理性。影响四足机器人对角步态稳定性的因素很多,包括不同的步态规划方法影响、地面摩擦力等不同的环境因素影响、电机性能影响、机器人自身结构间隙影响等等。通过重心规划减小或者消除由于重力原因引起的躯体绕支撑对角线翻转。将摆动腿摆动引起的躯体俯仰偏差引入步态规划与控制中,提高运动的稳定性和控制的准确性。针对地面摩擦系数对稳定性的影响,确定了可以实现对角步态的速度与步长限制。分析了电机性能以及机器人自身结构间隙等的影响,给出了尽可能消除这种影响的方法。四足机器人对角步态运动是一种节律运动,从仿生角度,中枢模式发生器CPG作为一种生物节律运动控制器对于对角步态节律运动的控制也是非常有效的。采用Wilson-Cowan神经振荡器作为对角步态CPG控制器的基本神经振荡器,建立了四足机器人对角步态控制的CPG控制模型,获得了CPG模型良好的节律信号输出。对控制器各个参数对输出的影响进行分析,确定了神经元振荡器连接权值的取值、振荡器初值对步态控制的影响、振荡器参数对输出的影响以及时间常数对输出的影响。通过四足机器人原理样机对所规划的对角步态及其稳定性控制进行试验,采用VC++6.0开发了运动控制软件。悬空状态下对角步态动作分解试验和地面对角步态行走试验结果表明,规划的对角步态能够实现四足机器人稳定的对角行走,腿在落地瞬间基本无冲击,躯体保持水平、行进方向基本保持不变。