相较于轮式及履带式机器人,双足机器人的地形适应性更强,灵活性更高,能耗更低。由于其结构设计的仿人特点,双足机器人可以更好地融入人类社会,代替或协助人类完成高负荷、高危险的工作。在对双足机器人的研究中,提升步行稳定性,尤其是足地碰撞时刻的步行稳定性,一直是研究的重点方向。因此,本文对双足机器人变刚度踝关节的设计、步态规划和控制方法进行了研究,以减小足地碰撞对步行稳定性的影响。首先,建立了对应于变刚度踝关节双足机器人结构的运动学及动力学模型。在不同假设条件下,对机器人的七连杆动力学模型进行简化,分别建立了踝关节刚性状态下的足地碰撞简化模型和考虑踝关节刚度的足地碰撞细化模型。通过对足地碰撞过程的两种理论模型进行分析和计算,从理论上证明了柔性踝关节能够减小足地碰撞时刻的地面冲击并减小运动能耗。其次,基于ZMP稳定性判据和线性倒立摆模型对双足机器人进行了步态规划。规划机器人ZMP在单支撑期始终位于支撑足中心,在双支撑期从原支撑足中心平滑过渡至新支撑足中心,以保证步行过程的稳定性。结合人类行走步态与变刚度踝关节的工作需要,规划摆动足在离地前绕足尖翻转,在触地时刻与地面成一定角度。利用变刚度踝关节对地面冲击的吸收作用,在步态规划中规划摆动足踝关节在触地前后速度连续,使摆动腿的运动更为符合人类行走步态。而后,根据足地碰撞过程中的能量关系,设计了踝关节刚度控制器。对于支撑足的变刚度踝关节,基于拓展线性倒立摆模型和ZMP预观控制理论对其角度进行控制,其余关节在运动过程中均利用数字PID控制器进行位置控制。在机器人控制方法设计完成后,对机器人的虚拟样机模型进行了动力学仿真,测试不同踝关节刚度下双足机器人的步行效果。最后,设计了基于气动变刚度单元的变刚度踝关节结构,并完成了气动变刚度单元选型及测试。在变刚度踝关节结构设计基础上进行了样机的总体结构设计,并搭建了控制系统硬件平台。基于双足机器人样机平台,分别进行了踝关节刚性状态下和踝关节变刚度状态下的机器人行走实验,验证了变刚度踝关节减小足地冲击,提高机器人步行稳定性的作用。此外,基于变刚度踝关节的步态规划及控制策略效果通过实验进行了验证。