实现类人的稳定、高效及自然的步态一直是双足步行机器人研究领域的研究目标,被动动态步行为实现高效自然的类人步行、设计更加类人的机器人提供了新的思路。对被动步行的研究有助于更深入的了解人类行走机理,对受损肢体康复也有很大借鉴意义。然而,由于被动机器人对步行初值及外界扰动都极其敏感,其步行稳定性及多样性有待进一步加强,相关的被动动态步行机理及相应的控制策略也有待更深入的研究。本文以研制出具有稳定、高效、自然及多样性步态的准被动双足步行机器人为目标,对动力学建模、基于步行性能及稳定性分析的结构参数优化、结构设计及步行控制策略进行深入研究。建立有躯体、膝关节及踝关节的含双支撑阶段动力学模型。该模型不仅含有双足与地面同时接触的双支撑阶段,且步行阶段划分与人类步行过程类似,步态更自然。针对双支撑阶段动力学系统为含多余坐标的完整系统这一问题,基于虚功原理及拉格朗日第一类方程建立双支撑阶段及摆动阶段的动力学方程;基于角动量定理及微分形式的约束方程建立碰撞阶段的动力学方程。针对系统变量数较多时较难搜索到不动点的问题,提出以摆动腿碰地前瞬间作为庞加莱截面构建庞加莱映射的不动点搜索方法,将系统的独立变量数由5个降低为3个,以提高动力学模型不动点搜索的成功率,并降低基于胞映射法的遍历式吸引域搜索法的搜索时间。获取模型的不动点,为被动动态步行机理研究提供必要条件。基于建立的动力学模型,分析结构参数对步行性能的影响。鉴于足部长度对双支撑阶段周期及足部碰地时刻有较大影响,结合足部长度与其他参数共同分析各参数对步长、步速、步行周期、双支撑阶段周期、膝关节锁定周期及最小足地间隙的影响。采用参量化建模方法对质心位置及质量进行建模,以保证理论分析结果与现实被动机器人设计的对应性;提出以相同初值为起点进行单步仿真来研究结构参数变化对步行性能影响的分析法,以消除初值的变化对步行性能分析产生的影响。揭示模型参数对步行性能影响呈现的总体规律,为机器人结构设计提供理论支撑,为控制策略设计提供有效思路。采用参量化建模方法对质心位置及质量等结构参数进行建模,基于步态敏感范数法研究各结构参数对被动机器人模型局部稳定性的影响,基于胞映射法研究各结构参数对全局稳定性的影响。基于步行稳定性研究及步行性能分析结果对被动机器人模型结构参数进行优化,在此基础上获得最优结构参数组合,为被动机器人结构设计奠定基础。设计准被动双足步行机器人机械结构,给出髋关节角平分机构、基于串联弹性驱动单元的柔性关节、膝关节锁定机构及平足踝关节的设计准则及具体实施方案。通过动力学仿真验证结构参数优化结果的正确性及准被动双足步行机器人结构布置的合理性。基于控制需求设计包含数据采集系统及运动控制系统的准被动双足步行机器人步行控制系统硬件。鉴于被动机器人包含多个欠驱动关节,无法对所有关节进行精确的轨迹跟踪控制,基于时不变虚拟约束原理及柔性关节串级PID控制设计被动机器人髋关节及踝关节控制策略。研究髋关节时不变虚拟力约束控制策略,通过控制被动机器人摆动腿角速度及步长,降低被动机器人向前及向后摔倒的概率,同时使被动机器人摆动腿充分利用自身动力特性,降低步行能耗;研究双支撑阶段支撑腿踝关节时不变拉动控制及摆动阶段摆动腿踝关节角度控制策略,通过调整摆动阶段支撑腿初始角度及角速度来协调摆动腿运动,提高多样性步行能力。研究各控制参数对步行速度、能耗及稳定性的影响,通过Adams/Matlab联合仿真对控制策略抗扰能力及调速能力进行验证。研制准被动双足步行机器人样机,设计控制系统软件,通过多组实验分别研究各控制参数对步行性能的影响并确定合理的控制参数值,验证各控制策略的有效性,实现自然、高效、稳定、同时具有一定抗扰能力及调速能力的多样性步行。