足式机器人相比于传统的轮式和履带式机器人具有出色的地形适应能力,但是发展许多年,速度性能始终无法令人满意。近年来针对中高速的足式机器人,控制算法已具有较好的方案,技术难点在于腿部机械结构和动力系统。本文以腿部机械结构为突破口,通过充分发挥闭链连杆机构少动力驱动、整周高频旋摆、驱动可位于机架上的特点,结合奔跑特性研究,提出两种面向奔跑运动的闭链弹性仿生腿。具体研究内容如下:(1)根据奔跑运动特性研究,提出闭链弹性仿生腿的设计需求。首先通过步态的研究,结合虚拟腿技术,将常见四足及以上的多足机器人的规则步态简化为双足进行研究,并提出闭链弹性仿生腿在高速时需采用奔跑步态。通过采用倒立摆模型对行走运动进行建模,并进一步采用SLIP模型进行奔跑运动特性研究,提出了针对闭链腿机构实现奔跑运动的四个设计需求。C1:闭链腿结构中应具有弹性化元件,实现腿部的柔性化;C2:腿部等效SLIP虚拟弹簧刚度为非线性,且逐渐变大;C3:腿部质量在整机质量中占比小;C4:闭链腿部机构足端轨迹关于髋关节具有对称性,且支撑相轨迹近似为以髋关节为圆心的圆弧曲线。(2)提出W型和S型两种闭链弹性仿生三段腿结构。首先通过研究动物的进化过程,提出更有利于奔跑的三段腿结构,通过对Watt型和Stephenson型进行变异,得到符合三段腿结构的W型和S型仿生腿,并仿猎豹腿部骨骼尺寸,对股骨、胫骨和跖骨进行尺寸设计;其次研究猎豹的腿部肌肉结构,结合C1设计需求进行弹性化设计,W型仿生腿仿猎豹的腓肠肌,S型仿生腿仿猎豹的缝匠肌和半膜肌;再次根据C4设计需求对W型和S型仿生腿进行运动学分析和足端轨迹设计及优化;最后计算得出两种仿生腿的虚拟刚度符合C2设计需求。(3)进行了 W型和S型闭链仿生腿的动力学分析。通过拉格朗日动力学方程建立了足端和曲柄驱动扭矩间的关系,并与仿真中的结果相比较,验证了计算结果的正确性。(4)进行了 W型和S型两仿生腿的动力学仿真分析。采用Adams软件建立仿真模型,设置了足端与地面的碰撞参数、弹簧的系数以及曲柄的控制函数等。通过仿真比较两种仿生腿在运动学性能、动力学性能和能耗三个方面的性能差异,得出S型优于W型。(5)进行了基于W型和S型仿生腿的双足机器人的样机设计及实验。首先,对机器人总体和各分系统进行了设计;然后,通过加工、装配等过程搭建了实验样机;最后,针对两个双足机器人进行了台架实验,验证了腿部设计的可行性,腿部轨迹的准确性,进一步对S型仿生双足机器人进行了地面实验,实现了行走运动和奔跑运动,奔跑速度达到11km/h。