大型腿足动物,如人类、马、虎、豹等,不仅具有高度灵活的运动和作业能力,而且对陆地表面的丛林、山地、陡峭岩面等复杂地形具有较强的适应能力,以腿足动物为仿生蓝本的腿足式机器人在灵活作业和地形适应方面有着轮足或履带式机器人无法匹及的优势,在物资输送、野外勘探、安防巡逻、废墟搜救等领域具有广阔应用前景。近年来,国内外众多研究人员一直致力于各腿足式机器人的研发,其中以稳定性、灵活性及负重能力俱佳的四足机器人发展最为迅速。四足机器人主动关节驱动方式主要有电机驱动和液压驱动两大类。相比于电机驱动,液压驱动方式具有较高的功率密度和硬负载特性,使机器人具有较大的负重能力和抗外部冲击能力。但液压驱动的硬负载特性使机器人足部与地面接触时产生较大冲击力,对机器人本体结构、电器元件和连接件的可靠性,以及机器人的稳定性产生很大的影响。此外,液压驱动四足机器人的高能耗问题也成为制约其发展的瓶颈之一。针对以上问题,本文从SCalf-Ⅱ液压驱动四足机器人的应用需求出发,提出了一种具有被动柔顺能力的液压伺服作动器和高效的足端轨迹规划方法,主要内容如下:(1)采用在传统液压作动器两腔分别设置微型液压蓄能器和补油单向阀方法,设计出一种具有被动柔顺特性的液压伺服作动器(Hydraulic Servo Actuator with Passive Compliance,HPCA);分别在 Simulink 环境和 AMESim 环境建立了其数值分析和仿真模型,对其缓冲特性、压力流量特性、频响特性进行了分析,完成了样机的设计与集成;构建其相应的试验系统,对其工作原理、数值分析和仿真模型的正确性进行了进一步验证,结果表明HPCA具备了较好的被动柔顺能力。(2)研制出适用HPCA驱动的SCalf-II液压驱动四足机器人单腿系统,建立了其正/逆运动学及动力学模型,提出一种融合动力学前馈及关节角度反馈控制环的主动柔顺控制算法,基于AMSim环境建立了 SCalf-II的仿真系统,分析了四足机器人在步态执行及与地面交互过程中的动态特性;搭建起单腿物理实验样机,进一步验证了 HPCA对足式机器人被动柔顺能力的有效性,以及主被动柔顺相结合具有的更好的柔顺效果。(3)基于五次样条插值曲线与直线组合的足端轨迹和四足机器人的对角小跑步态,分析了足-地分离点在不同位置时作动器的运行轨迹规律及负载特点,揭示了 HPCA在支撑相和摆动相中的节能规律,以及在对称阀控制非对称缸换向时压力跃变的吸收作用,并通过HPCA驱动的四足机器人虚拟样机仿真及单腿物理平台实验对其节能效果进行了分析与验证。(4)基于作动器运行轨迹对机器人能耗影响的分析,提出一种在摆动相中采用分段三次样条插值曲线表达的足端轨迹规划方法,将腿部抬升时间tf作为受控参量引入到了足端轨迹方程中,用于改变作动器的伸长段与回缩段的时间比,并基于所建立的SCalf-Ⅱ的能耗计算模型,分析了其对传统液压作动器(OHA)驱动四足机器人能耗的影响作用;借助于软件软件仿真,依次研究了步态周期T、腿部抬升时间tf及足-地分离点位置对HPCA驱动机器人能耗的影响,验证了HPCA在低能耗轨迹下的进一步节能能力。