随着仿生技术的快速发展,仿生四足机器人取代或者辅助人从事危险工作,极大地增大了人的工作安全性并降低了工作强度。由于四足步行机器人具有极强的地形适应性、良好的运动稳定性,且相比其他多足机器人机械结构简单等显著特点,因而成为引人注目的研究领域。目前,多数四足机器人的机械腿机构多为刚性铰连接,刚体之间不可避免地存在摩擦与撞击,机械腿的柔性调整性不足、易于在高速运动下发生冲击损坏。而自然界能够快速奔跑、腿足系统承受显著冲击而不损伤的四足动物可能为问题的解决提供新的启发,本课题选择相比其他科动物具有显著运动灵活性和柔顺性优势的猫科动物-家猫为实验对象。仿生原型选其腿部骨骼肌肉系统,结合采用双平面三维动态X光运动捕捉技术测试分析其在四种不同的运动速度下的下肢关节的三维运动调整规律。在此基础上,进行下肢关节系统的柔性单元（肌肉、韧带和骨骼之间的软骨）与硬质骨骼的集成建模并仿真分析了刚柔耦合作用的功能原理;设计了刚柔耦合仿生步行腿,结合多体力学仿真,分析了仿生柔性韧带的刚度、仿生髌韧带和仿生肌肉连接点位置变化对步行腿关节角变化的影响规律。本文主要工作与结论如下:（1）猫在运动时,其下肢膝关节随运动速度变化进行适应性调整。猫的膝关节依次呈现屈-伸-屈-伸、内旋-外旋-外旋-内旋、内翻-外翻-外翻-内翻运动和内移-外移-内移-外移的规律性运动,股骨和胫骨之间依次呈现上移-下移-上移-下移运动,触地期的膝关节先进行了小幅度屈曲、内旋、内翻、膝关节内移和股骨胫骨上下分离,膝关节产生小幅度伸张、外旋、内翻、外移和股骨胫骨上下移动,随后进入摆动期,膝关节角达到最大屈曲、外旋、内翻、内移和股骨胫骨上下分离,后肢开始下落,膝关节开始伸展内旋翻转外移胫骨后移股骨胫骨上下移动直至脚掌再次触地。随着速度的增大,猫的下肢的触地期均显著减小,由原来0.8km/h速度下占步态周期的55%左右调整1.4km/h速度下的35%左右。（2）膝关节的柔性韧带和肌肉系统作用使得硬质骨骼上的应力分布趋于均匀,同时提高了骨骼的抗弯性能。同等载荷边界条件下,膝关节周围不同的肌肉对骨骼应力分布影响不同,可能与肌肉本身的分布模式,形状和大小有密切关系。肌肉的弹性模量变化对股骨截面和胫骨轴向应力的均衡分布作用更加显著,而对胫骨截面和股骨轴向应力的分布影响不太明显。（3）仿生柔性韧带的弹性模量在1-200MPa左右时,弹性模量越大刚柔耦合仿生步行腿的膝关节屈曲角度变化越小,而弹性模量大于200MPa时,对刚柔耦合仿生步行腿的关节角屈曲作用效果不明显。仿生肌肉与小腿骨部件的连接位置改变,对于步行腿的膝关节屈曲角度具有影响。当仿生肌肉连接点逐渐远离小腿骨部件末端,膝关节的角度呈现了先增大后减小的趋势,说明仿生肌肉的不同连接点位置对于关节角度的影响作用不同,研究范围内,当仿生肌肉连接点位置约占小腿骨部件总长度的80%时,步行腿的膝关节屈曲角度变化最大。