双足机器人一直以来都是机器人研究领域的热点问题,近年来,双足机器人仿生式结构设计、双足机器人高效步态控制算法和人机交互等领域的发展十分迅速。本文针对双足机器人领域存在的运动能力和灵活性不足等相关问题,以机器人重要部件的轻量化为目的,采用衍生式设计方法,设计出一种更加轻量化的大腿结构和小腿结构,随后对优化后的结构模型进行了仿真与实验研究。首先基于人体的下肢结构与尺寸分布,对双足机器人进行了自由度配置和关节机构设计,并建立了双足机器人下肢机构模型。其次根据双足机器人的下肢机构模型完成了机器人的平地行走步态规划,再根据步态规划的数据在ADAMS虚拟样机平台中完成了机器人的平地行走步态仿真,并得到了机器人的关节速度和扭矩值,以膝关节为例完成了关节电机、谐波减速器以及带轮的选型,且为大腿模型与小腿模型的衍生式设计提供了参考依据。根据双足机器人的下肢机构模型和关节受力情况,针对双足机器人的大腿结构和小腿结构通过衍生式设计方法得到了多个满足设计要求的衍生式设计模型,在对多个模型进行分析比较后选出最佳方案。然后对选定的模型进行结构强度和刚度仿真分析,通过仿真分析的结果验证了衍生式设计模型的合理性。得到衍生式设计模型后,在双足机器人的三维模型中完成装配,并导入ADAMS中再次进行步行仿真,通过关节速度与扭矩的对比,验证了衍生式设计模型轻量化的有效性。最后,设计了双足机器人的单关节测试试验台,对机器人的驱动元件与机械结构性能进行了试验研究。进一步使用金属3D打印将小腿结构的衍生式设计模型打印成型,并与初始设计的小腿结构进行试验对比,结果表明,使用衍生式设计的小腿模型在相同的电压与转速下电机工作电流更小,对于双足机器人的运动性能提高与减少能量消耗有着显著效果。理论分析与试验结果都表明通过衍生式设计得到的模型在减轻重量的情况下能够满足性能要求,完成了机器人轻量化设计目标。