双足机器人具有广阔的应用前景,自从诞生之日起受到各方面高度关注,其独特的双足运动方式是研究人员重点关注的问题之一。其中步行运动方式的研究起步较早,并取得了显著的研究成果,而跑步运动方式的研究起步较晚,且取得的研究成果较少。从目前研制的面向跑步运动的双足机器人来看,其跑步速度比较低,且跑步动作不够灵活,还远未达到人类的期望。究其原因固然存在芯片和器件等技术上的限制,但更重要的是对双足机器人跑步运动相关理论问题尚未展开深入研究。因此,本文主要研究双足机器人跑步运动的相关理论问题,主要包括双足机器人跑步运动的数学模型、跑步运动稳定性问题、跑步运动步态规划以及协调控制策略,具体如下:首先对双足机器人跑步运动的混杂切换系统模型进行研究,分别基于根型系统位形和改进的D-H方法建立双足机器人的跑步运动学模型,基于拉格朗日函数建立支撑期和飞行期的动力学方程,根据相间状态切换条件建立各期相间状态切换模型,并采用8元组的混杂切换系统来表示双足机器人跑步运动的完整数学模型,为后续研究奠定基础。其次对双足机器人跑步运动的稳定性进行研究,在分析现有双足机器人步行和跑步运动稳定判据的基础上,提出一种双足机器人跑步运动的稳定性描述和直观表述,从不摔倒的角度给出双足机器人跑步运动稳定性的定义,并借助分段稳定判据的思想,将支撑期失衡度稳定判据和飞行期角动量稳定判据相结合,构建了跑步运动全过程的稳定性判别方法。然后对双足机器人跑步运动的步态规划进行研究,探讨人类跑步运动模式的生物力学规律,作为跑步运动步态规划的依据和参考,并将双足机器人的跑步运动步态形式化表述为典型的约束优化问题,采用遗传算法对跑步步态参数进行选择和优化。遗传算法分别以力矩最小和能量最小为优化指标,采用拒绝和惩罚相结合的策略处理各种约束,对两种优化指标下的双足机器人跑步运动步态进行仿真验证和对比分析。仿真结果表明,遗传算法可以实现双足机器人的跑步步态规划,该方法有效且可行。随后对双足机器人跑步运动的控制策略进行研究,提出一种基于动力学模型的时不变反馈控制策略,将机器人的动力学模型化为标准的非线性仿射系统,采用反馈线性化方法将原系统精确线性化为双积分器系统,对线性化后的系统设计有限时间稳定控制器,分析解耦矩阵不可逆导致的控制系统动力学奇异性。针对平面5连杆无脚双足机器人,基于虚拟约束分别设计其跑步运动支撑期和飞行期的时不变反馈控制律,并结合跑步速度为1.5m/s和2.5m/s两种情况对理想模型下的控制策略进行仿真验证,给出该控制策略在柔性碰撞模型和考虑模型参数误差情况下的部分鲁棒性分析。针对平面7连杆有脚双足机器人,基于输出零化分别设计其跑步运动支撑期和飞行期的输出函数以及控制律,并对输出函数中影响跑步速度和跑步步幅的重要参数进行在线调整,结合平整地面情况对该控制策略进行仿真验证。仿真结果表明,基于动力学模型的时不变反馈控制策略具有较强的鲁棒性和很好的稳定性。并对两种平面双足机器人跑步运动控制策略进行比较,分析二者相同之处和本质区别。最后,总结本文所做工作,分析不足之处,并提出今后的研究重点。