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四足机器人作为移动机器人领域的一个重要分支,相对于双足机器人具有更好的稳定性,相对于六足及多足机器人具有更少机构冗余,使其能够灵活的适应各种工作环境,因此,四足机器人在民用、军用、科研等领域都有着越来越广泛的应用前景,并逐渐成为足式机器人研究领域的热点。四足机器人的综合性能主要由其本体结构、运动规划系统、运动控制系统共同决定,本文以提高四足机器人运动的灵活性、可靠性为目标,综合运用仿生学、机构学、优化设计算法、运动学、动力学等理论工具,针对四足机器人结构设计与运动规划中存在的问题展开深入研究,研究主要涉及到机器人本体结构的优化设计、机器人转弯步态的运动规划、机器人的路径跟踪控制以及四足机器人物理样机的搭建等方面。具体研究内容如下:⑴采用D-H法通过机构运动学分析对比哺乳动物与昆虫的髋关节布置方式对机器人足端工作空间的影响,从提高机器人步态灵活性的角度出发对机器人的髋关节布置方式进行设计;采用连杆传动的方式转移机器人膝关节电机安装位置以降低机器人腿部转动惯量;采用多目标骨干粒子群算法以降低机器人主动关节所需最大驱动力矩和实现机构运动学解耦为目标,对机器人腿部连杆机构展开优化设计。⑵根据优化后的腿部结构建立机器人腿部等效模型,对机器人腿部结构进行运动学与动力学分析。采用D-H方法对机器人腿部进行运动学逆解,采用拉格朗日平衡法对机器人腿部结构等效模型展开动力学分析。⑶深入研究小鼠转弯运动,通过对其转弯运动过程中的迈步规律进行分析,提取出小鼠转弯运动的主要特点,结合足式机器人的运动特点对四足机器人的转弯步态进行设计,运用COP法对四足机器人仿生转弯步态的稳定性进行分析。在Adams中搭建四足机器人虚拟样机,通过仿真实验验证该步态合理性进行验证。⑷通过对机器人路径跟踪运动的研究,提出了一种基于模糊控制的以目标路径曲率半径为跟踪目标的路径跟踪方法,在深入观察分析足式机器人路径追踪运动的基础上总结模糊控制规则,以此为基础建立机器人路径跟踪模糊控制表,运用面积平分法对模糊推理的结果进行清晰化处理,最终完成机器人路径跟踪模糊控制器的搭建。⑸采用3D打印与机械加工相结合的方式加工机器人零件,完成机器人物理样机的搭建。分别在直线目标路径、圆弧目标路径、不规则目标路径实验场地下进行了路径跟踪实验,通过对实验数据的提取和分析,进一步对机器人仿生转弯步态的合理性以及基于模糊控制的路径跟踪控制方法的有效性进行验证。