基于被动行走原理的双足步行机,主要包含完全被动双足步行机和欠驱动(半被动)双足步行机。这两类双足步行机都具有步态自然、行走效率高的特点。目前,研究人员开发出的完全被动双足步行机及欠驱动双足步行机在行走稳定性方面已经比较完善。但在行走效率和行走自然性等方面与人类还有一定的差距。因此,在本体设计上排除更多的非类人特征(如曲面足)以增加行走自然性、通过结构优化的方式提高行走效率是基于被动行走原理的双足步行机在未来的发展方向。而同样是双足行走的人类,得益于自身精细复杂的肌肉-骨骼系统,拥有高效、自然的行走模式。因此,基于人体下肢肌肉-骨骼系统对人体运动的影响规律,开发基于被动行走原理的双足仿生机器人,具有重要的科学意义和应用价值。本文以人体下肢肌肉-骨骼系统为学习蓝本对基于被动行走原理的双足机器人的部分关键部件进行仿生设计,并在此基础上开发了完全被动步行机和欠驱动步行机物理样机。本文的主要研究内容和结论包括:(1)人体下肢运动结构分析及其仿生设计。深入分析了人体下肢主要关节(髋关节、膝关节、踝关节、跖趾关节等)的特异功能性结构,研究其对人体下肢运动的影响规律,解析其功能展现模式和生物力学特性。基于此,完成了仿生膝关节、仿生足等步行机关键部件的设计。(2)在关键部件仿生设计的基础之上,完成了具有仿生距下关节(矢状面内关节轴倾角为45°)及跖趾关节(添加足趾)的新型无膝完全被动仿生步行机的研制,并针对虚拟样机进行了基于Adams的仿真分析,验证了其行走的可行性。同时制作了物理样机并分别基于单因素与多因素试验,针对该步行机物理样机的行走性能进行了测试,获取了研究范围内的主次因素与优搭配。实验结果表明,新型无膝完全被动仿生步行机在最佳机械结构参数下可以保证较高的行走效率,同时实现连续、稳定的行走。最后,在无膝完全被动仿生步行机的基础之上,设计控制系统,开发了有膝完全被动仿生步行机。(3)在完全被动仿生步行机的基础之上分别进行了角平分机构的设计(直齿轮式角平分机构的设计、锥齿轮式角平分机构的设计)、欠驱动仿生步行机的设计与制造(有膝欠驱动仿生步行机的设计、无膝欠驱动仿生步行机的设计)。最终,确定了在无膝欠驱动仿生步行机的基础之上加入侧摆行走机构作为欠驱动仿生步行机的设计方案。(4)在无膝完全被动仿生步行机的基础之上,在髋关节加入驱动和改进的连杆式角平分机构,同时加入可以辅助欠驱动仿生步行机完成侧摆运动的机构,完成欠驱动仿生步行机的设计。接下来,进行了欠驱动仿生步行机物理样机的制造与加工。最后,结合Arduino进行了控制系统设计,并对欠驱动仿生步行机进行了行走测试。结果表明,本文研制的欠驱动仿生步行机能够展现侧摆和行进的复合行走步态,实现了稳定、节能行走。