非洲鸵鸟作为陆地上奔跑最快的双足动物,长期生活在沙漠中。鸵鸟后肢具有优异的越沙特性,尤其是足部结构,对鸵鸟在沙漠环境中高效运动起到了至关重要的作用。本文模仿鸵鸟后肢结构特点和肌腱骨骼协同运动的刚柔耦合机制,利用工程仿生技术,设计出一种适用于沙地面行走的仿生机械腿,并对仿生机械腿的越沙性能进行了试验分析。通过对鸵鸟足部样本的大体解剖,深入分析鸵鸟足部生物组装特征,研究了鸵鸟足部骨骼形态结构、各节趾骨间连接特点以及骨骼与肌腱间连接机制。结合文献数据,对鸵鸟足部不同肌腱分类、合并、优化,用于鸵鸟足部模型重构和仿生设计。利用手持式三维激光扫描仪,对鸵鸟足部模型进行三维扫描、拼接与重构,给出了一种针对复杂扫描对象拼接优化的方法。根据鸵鸟足部重构模型,结合鸵鸟足部骨骼和肌腱真实形态结构和相对位置,利用三维软件建立鸵鸟足部三维模型,为仿生机械腿的足部结构设计提供依据。针对鸵鸟足部生物组装结构特点,对鸵鸟足部肌腱进行功能仿生。设计出腱骨协同刚柔耦合仿生机械腿的足部结构,并对仿生机械腿关键部件进行优化设计。分析了仿生机械腿足部结构特点和工作原理,探索了新设计仿生机械腿的越沙缓震功能。基于ADAMS/Cable模块建立钢丝绳柔性体模型,完成仿生机械腿中仿肌腱驱动的足部运动学仿真参数设置,通过仿真结果验证了钢丝绳柔性模型的正确性,并分析了足部结构在仿真过程中的变化情况。基于ADAMS仿真分析验证了仿生机械腿足部结构所能实现的越沙动作,为仿生机械腿的加工制造提供参考。在仿真结果分析基础上,完成了仿生机械腿的优化设计制造。选择满足要求的直线式伺服电缸,搭建了直线式伺服电缸控制系统,测试标定了直线式伺服电缸的速度和位移参数。完成T型板的优化和仿生机械腿的组装、调试。通过T型板将仿生机械腿安装在仿生机械腿测试平台上,对仿生机械腿进行相关性能测试试验。利用影像分析系统Simi Motion,采集仿生机械腿以低、中、高三种速度在硬地面和沙地面的运动视频。通过数据处理分析可知,当仿生机械腿以中、低速运动时,在沙地面的运行速度高于硬地面的运行速度,以高速运动时情况刚好相反。通过分析踝关节、跖趾关节角度变化,膝关节、踝关节、跖趾关节Z轴位移变化,以及各节趾骨沿Z轴方向位移和速度变化可知,仿生机械腿在沙地面具有较好的适应性。通过对足底压力分析可知,当仿生机械腿在硬地面运动时,主要趾第二节趾骨不接触地面,趾甲和辅助趾第二节趾骨所受的足底压力约为在沙地面运动时的2倍。当仿生机械腿在沙地面运动时,随着速度增加,足部在沙地面的沉陷深度随之变浅。根据试验测试结果可知,仿生机械腿在沙地面运动中能够实现主要趾中各节趾骨同时触地、依次离地及趾甲蹬地的功能,辅助趾起到辅助支撑的作用。与硬地面相比,仿生机械腿在沙地面有较好的通过性。本研究为解决足式机器人和深空探测器在松软地面的正常行走,提供了新的研究思路和方法。