随着足式机器人在反恐防爆等涉及国家安全,以及在山地作业等涉及民生应用的需求日益迫切,对其高速运动能力、高负载能力等的要求日益提高。然而,当前仿生足式机器人这些方面的能力,与相应的生物相比,还存在显著的差距。大量的研究表明,这与两者的腿部刚度在运动过程的变化机理的差异关系密切。为此,本文在生物学研究成果的基础上,构建仿生物的腿部刚度模型(两段腿J曲线弹簧模型,TSLJCS模型),并深入开展该模型刚度及其对高速、高负载运动的作用机理的研究,据此进一步开展基于该模型刚度机械腿运动能力的仿真验证及样机刚度的可控性验证等问题的研究,以期提高足式机器人的高速和高负载运动能力,为高性能机械腿设计提供理论基础和技术支撑。论文首先对机械腿和仿生基础模型的刚度及其对高速、高负载运动的影响程度、关系及作用等的研究进行调研与分析。在此基础上,以两段腿为研究对象,提出和构建了一种仿生物的腿部刚度模型——TSLJCS模型,并利用曲线插值法,建立了此模型虚拟腿的压力—压缩量曲线方程。研究发现,该模型虚拟腿的无量纲压力—压缩量曲线对初始关节角变化敏感,而对大小腿段比例不敏感。其次,通过腿部刚度仿生研究以及对SLIP(弹簧负载倒立摆,Spring-Loaded Inverted Pendulum)、TSL模型(两段腿模型,Two-Segment Leg Model)和TSLJCS模型的整合,构建了一种广义的SLIP模型,并对其动力学方程进行了推导,给出了步态周期顶点回归映射的计算过程和速度—刚度、速度—触地角、速度—稳定域面积仿真模型。仿真结果表明:TSLJCS模型相比于SLIP模型、TSL模型,最高速度、速度范围、触地角范围和稳定域面积更大,其刚度对速度变化的敏感度最低,最有利于高速运动,具有更好的高速运动能力。第三,进而建立了广义SLIP模型在高速运动中的负载—刚度等仿真模型并进行了仿真分析,得到了刚度、关节角、触地角和负载对TSLJCS模型不动点的变化规律。仿真结果表明:TSLJCS模型相对于SLIP模型、TSL模型,高速运动中其刚度对负载变化敏感度更低,负载能力更强,有利于高速、高负载运动。最后,建立了仿人虚拟腿压力—压缩量曲线方程,并据此开展了仿人腿刚度机械腿运动能力的仿真分析,仿真结果验证了基于TSLJCS模型刚度的机械腿具有好的高速、高负载能力。建立了机械腿样机及其工作原理、运动学和动力学方程、足尖工作空间模型、变刚度实验系统,并据此实验系统开展了样机刚度的可控性实验,实验结果表明:在触地阶段,样机是变刚度的,其刚度的变化趋势是可控的,其刚度是可控的。