轮腿复合机器人结合了轮式机器人在平坦地面上运动的高能效特点和腿式机器人在粗糙地形上运动的的高机动性特点,在侦察探测、安全巡检和灾后搜救等任务中有巨大的应用前景。但是现有的轮腿复合机器人由于机构设计和控制方法方面的不足,还不能充分发挥轮式运动和腿式运动的优势。本文针对轮腿复合机器人,以机构设计、腿式运动步态规划以及粗糙可变地形腿式运动控制为重点展开一系列研究。因为轮式运动控制技术现在比较成熟,所以本文关于提出的轮腿复合机器人的运动控制研究主要针对腿式运动。首先,介绍了一种新型的脊柱型轮腿复合机器人Transleg的设计与实现。Transleg采用绳索作为传动机构,简化了结构,减轻了重量。拥有四个可变形轮腿机构,每个轮腿机构在腿模式和轮式模式下都有两个主动自由度,在轮式模式下有一个主动自由度。将驱动各轮腿机构的驱动器安装在机体上,以尽量减轻轮腿机构的重量,有助于提高腿式运动的稳定性。受四足哺乳动物的启发,一个柔顺的脊柱机构被引入到Transleg的设计中。脊柱机构也由两个驱动器驱动,可以在偏航和俯仰方向上弯曲。详细介绍了腿轮机构和脊柱机构的设计和运动学分析。为了验证Transleg设计的可行性,研制了一个样机,并对轮、腿两种模式运动、两种模式之间的切换和脊柱运动进行了实验研究。实验结果验证了Transleg设计的有效性。此外,提出了一种基于Transleg结构的台阶攀爬策略。利用该策略,Transleg可以攀爬高94mm的台阶,比车轮半径55mm高得多。其次,研究了结合脊柱俯仰运动与腿部运动的双足跳步态。在这一步态中,脊柱与前腿同步运动。通过余弦信号对腿、脊柱各关节进行控制,简化了控制过程,同时可以调节关节的初始位置和摆幅。为了验证该步态的有效性,在仿真环境中设置脊柱关节为不同的初始位置和摆幅,通过调节腿关节的初始位置和摆幅使仿真环境中虚拟模型在保证稳定性的情况下获得尽可能高的运动速度。调整后的控制信号也被用来控制机器人样机Transleg。实验结果表明,该步态可以实现稳定的双足跳运动,且运动的速度随脊柱在俯仰方向上的运动而提高。此外,提出了三种不同的双足跳步态转向策略,包括基于左右腿差异步幅的策略、基于脊柱摆动的策略、及结合上述两种方法的策略。这三种策略在机器人样机Transleg上进行了验证,结果表明,通过脊柱在偏航方向上的摆动,可以实现较小的转弯半径和较高的角速度。然后,针对四足机器人常规对角小跑步态中绕对角支撑线的翻转力矩导致机器人失衡问题,在运动学建模和失衡原因分析的基础上提出了两种新颖的对角小跑步态规划方法:叠加腿部侧摆运动的对角小跑步态和叠加脊柱偏航摆动的对角小跑步态。前者引入腿的侧摆关节的运动调节支撑腿足端轨迹,后者增加脊柱偏航关节的运动调节机器人的重心并保持足端轨迹不变,这两种方法均使机器人重心在整个对角小跑步态周期位于对角支撑线上。仿真结果显示,相比于常规对角小跑步态和足端轨迹后移的对角小跑步态,提出的对角小跑步态规划方法显著提高了机器人运动的稳定性。此外,提出的规划方法在存在模型误差时具有鲁棒性。最后,为了实现脊柱型四足机器人在粗糙可变地形上的对角小跑运动,在运动学分析的基础上提出了基于中枢模式发生器的控制方法,包括步态规划、地面倾角估计、姿态控制、碰撞反射、踏空反射和侧向步反射六个模块。步态规划通过中枢模式发生器生成各腿的相位信号,利用足端轨迹规划对相位信号进行整形生成控制机器人运动的腿部和脊柱关节信号。地面倾角估计根据足端接触力和机体姿态信息估计地形倾角,并根据倾角调节规划的足端轨迹。姿态控制通过机体姿态信息和地面倾角调节支撑腿的关节运动,使机体和地面保持平行并控制机器人的航向角。碰撞反射调节摆动腿的关节运动,使摆动腿在碰到障碍物时可以快速越过并恢复到规划的运动轨迹。踏空反射调节支撑腿的关节运动,使支撑腿在遇到下凹地形时可以快速撑地并恢复到规划的运动轨迹。侧向步反射驱动机器人沿外力方向运动,以抵消外力的影响,防止机器人倾覆。在仿真环境中运用提出的方法控制机器人在粗糙可变地形上运动,实验结果证实了该方法的有效性。