如何实现机器人高效、自然和稳定的步行一直是机器人研究领域的重要方面，而被动步行概念的提出为该研究提供了一种崭新的思路。与低效、复杂和僵硬的主动步行相比，被动步行更加接近高效、简单和自然的人类步行。通过对被动步行的研究，可以更深入地了解动力学在人类步行中发挥的作用并探究人类步行的运动机理，进而为双足机器人的研制及实用化提供新的思路。本文提出了一种三维有膝双足被动步行机器人模型，并以该模型为基础研究了有膝双足被动步行机器人的运动特性、局部稳定性和全局稳定性，深入分析了被动步行的运动机理。提出了一种三维有膝双足被动步行机器人的物理模型。结合人类步行特点将模型的运动分解为矢状面和冠状面上的运动，并利用Lagrange方程和角动量守恒定律分别建立了其动力学方程，获得了其无量纲化混合动力学模型。结合庞加莱映射法、局部线性化和Newton-Raphson迭代法法，利用Matlab数值仿真求解了三维有膝双足步行机器人矢状面运动的不动点，并以此为基础，分析了各参数变化对机器人周期运动的步长、周期、步速和最小足地间隙等矢状面运动特性的影响以及各参数变化和初始角速度变化对机器人冠状面运动特性的影响与其其显著性。提出了一种新型胞映射方法-逐级胞映射法(ZPCM)，获得了高精度的吸引胞位置和高可信度的吸引域分布，显著地提高了映射效率。基于ZPCM法和Floquet乘子理论，分析了大小腿质心位置、大小腿质量、足偏置角度和斜坡角度等参数变化对其运动的局部稳定性和全局稳定性的影响，获得了其运动稳定性的优化参数范围。以理论分析为指导，进行了参数优化配置，获得了优化参数组合并以此为参照研制了实体样机，重点设计了可靠高效的膝关节锁定结构。利用ADAMS进行了机器人实体样机的二维和三维虚拟仿真，验证了其3D步行运动的稳定性分析，分析了其矢状面运动和冠状面运动的相互作用。通过大腿质心位置以及斜坡角度变化下的样机行走实验，验证了这两个参数变化对三维有膝被动双足步行机器人运动稳定性的影响。