目前刚性躯干四足机器人已有很多较为成熟的案例,而脊柱型四足机器人仅存在于实验室环境。脊柱关节的加入理论上对速度和能量利用效率都有增益,但同时使得四足机器人运动稳定性问题变得更加复杂,若对脊柱运动控制不当很容易使四足机器人失稳。通过观察马犬等动物的高速运动发现,脊柱运动的同时往往还伴随着头部的运动,受此启发,本文主要研究头部在脊柱型四足机器人跳跃运动中的作用机理,以及脊柱型四足机器人的跳跃运动动态稳定性问题,探究头部运动在运动稳定性中发挥的作用。以马犬作为仿生对象,通过马犬的身体构造和运动特性分析建立含有头部的脊柱型四足机器人简化模型,设计含有头部和脊柱运动的周期跳跃步态,推导简化模型在跳跃步态的各个阶段的动力学方程,由于简化模型的局限性,设计含有头部的脊柱型四足机器人全身模型,通过虚拟弹性腿与关节腿之间的映射关系建立简化模型和全身模型间的联系。通过理论分析总结了头部的作用机理:对质心位置的调节、对躯干俯仰运动的调节。通过头部和脊柱运动时质心轨迹图,总结出头部使整体质心位置前移,头部的上下摆动可以起到抬高和压低重心的作用。通过理论分析得到头部运动与躯干俯仰运动的关系。通过简化模型的仿真证明了合理的头部运动可以将不稳定的跳跃调节为稳定的跳跃运动,并通过对比分析了头部运动对跳跃运动参数的影响。分析了脊柱型四足机器人的动态稳定性,优化了动态稳定性裕度:扩展支撑多边形的ZMP稳定裕度和周期对称跳跃稳定裕度,确立了跳跃运动稳定性的评定方法;采用了粒子群算法优化头部运动参数,依据动态稳定裕度确立优化过程的目标函数,建立了联合仿真环境,通过全身模型的仿真来完成优化迭代的过程,并通过对仿真结果的分析验证优化后的头部运动参数可以提高运动稳定性,并总结不同步态周期下最优头部运动参数的变化规律。设计制作了含有头部的脊柱型四足机器人实物样机,搭建了实验环境,并进行了实验,通过对样机的运动过程快照分析和实验数据分析,表明了:合理设定头部运动对于脊柱型四足机器人的调节作用确实可以提高跳跃运动稳定性。