目前四足机器人的下肢关节几乎均被简化设计为铰连接,而由于铰连接多为刚性连接,在动态高速运动状态下,机器人的下肢关节极易由于地反力冲击作用而发生结构破坏,同时也增加了关节控制难度,进一步提高了运动能耗。文献调研表明,当前研究多在机器人的腿机构或足端中采用高弹性材料,起到了一定的缓冲作用,但整体效果仍不理想。本文将张拉体思想引入四足机器人的步行腿研究,以家猫的腿部骨骼-肌肉系统为仿生原型,结合家猫下肢运动力学试验、大体解剖和有限元建模初步解析了下肢骨肌系统的张拉作用原理及其对关节柔性和缓冲性能的影响,在此基础上进行了具有自平衡自稳定特征的仿生步行腿的设计研究,进而为具备高能效运动特征的仿生四足机器人的创新设计与开发提供重要的生物力学理论依据和技术支持,具有重要的科学意义。基于家猫的生物运动力学试验,本文对试验对象在常速行走、对角小跑、奔跑三种运动步态的运动力学数据进行了采集分析。结果表明,在三种运动步态下,随着运动速度逐渐增大,猫前后肢触地期均显著减小,由占步态周期的50%左右逐渐调整为约占步态周期的30%;步态周期内,猫前后肢的各关节产生了屈、伸的适应性运动调整。同时,结果表明,除髋关节外,其余各关节的屈伸变化幅度均随着运动速度的增大呈现增大趋势。在常速行走、对角小跑、奔跑三种运动步态下,前后肢的触地时间均随着运动速度的增大而减小,其中在常速行走、对角小跑运动步态下前肢的触地时间大于后肢的触地时间,在奔跑运动步态前肢的触地时间小于后肢的触地时间;在三种运动步态下,前后肢的峰值压力均随着运动速度的增大而变大,且均呈现单峰变化;前肢的峰值压力始终小于后肢的峰值压力,除后肢在常速行走运动步态下在触地前期达到峰值压力,其余均在触地中期达到峰值压力,其中在对角小跑运动步态时前肢的最大压力和后肢的峰值压力趋于相同。结合家猫下肢骨骼肌肉的大体解剖试验,对猫下肢(前后肢)骨骼肌肉系统中的功能性关节(由硬质受压骨骼构成)、柔性韧带(被动受拉体)和肌肉(主动受拉体)的连接特征和功能特征进行了初步解析,确定了猫下肢骨骼肌肉系统中的硬质受压体和柔性受拉体的张拉组成模式。明晰了前后下肢主要关节处韧带的连接点、路径、数量、大小等特征,其中,前肢的肘关节处和后肢膝关节处韧带构造较复杂,存在多种功能性韧带,解析了前后下肢主要功能肌肉的连接点、路径、数量、大小、伸屈等连接特征和屈伸功能特征,并发现猫下肢主要功能肌肉单元均跨关节附着连接,大小形态不一,且空间分布构型复杂。基于家猫下肢的CT图像,运用逆向工程技术重建了包含十字交叉韧带、内外侧副韧带和髌韧带的家猫下肢有限元模型。结合Abaqus软件针对韧带杨氏模量进行了参数敏感性仿真分析。结果表明,在研究范围内,韧带杨氏模量越小,沿胫腓骨径向的应力越小,且抗弯矩能力越强;韧带杨氏模量的大小对胫腓骨轴向应力的大小影响不显著。结合家猫运动力学试验、下肢大体解剖实验、下肢模型重建及有限元分析,进行了仿生张拉机械腿的设计,并进行了对比仿真研究。结果表明,仿生腿中的柔性构件通过柔性变形吸收储存了大量冲击能量,改善了刚性构件的应力分布状态,使得仿生腿的应力分布由末端足部到腿部逐渐减小,有效提升了其抗冲击、抗弯能力。在研究范围内,仿生筋腱材料保持不变,仿生韧带越软,机械腿抗冲击/抗弯曲性能越好,而当仿生韧带软硬不变,仿生筋腱越硬,机械腿抗冲击/抗弯曲性能越好。