自然界中大型陆生腿足式动物在复杂地形环境中所表现出的快速灵活运动能力,吸引了仿生领域众多学者的目光,以其为仿生对象的腿足类机器人成为当前研究热点之一。国内外学者已研制出各式各样的腿足机器人平台,并实现了良好的运动性能,正尝试在安防巡逻、电力巡检、物流派送、野外探测侦察、崎岖山区物资运输、灾后救援等领域进行推广应用。近十几年来,虽然在腿足式机器人仿生机构设计、高功率密度关节驱动、高动态稳定运动控制、环境感知和复杂地形适应等方面取得重要进展,但较低的运动能效和较短的续航工作能力阻碍了其规模化推广。大量研究表明,鸵鸟是现有运动能效最高、最具耐力的大型地面步行动物之一。本文以鸵鸟为仿生对象,在深入分析其骨骼与肌肉-肌腱组织结构及运动机理的基础上,设计了轻惯量腿、高功率密度关节驱动的仿鸵鸟机器人。论文的主要研究工作如下:(1)在深入分析成年鸵鸟身体形态、骨骼结构、肌肉-肌腱组织和高效运动机理的基础上,确定了机器人单腿四自由度的拓扑结构布局;建立了机器人的连杆坐标系,推导了正向运动方程和速度映射雅可比矩阵,并求出逆运动学的封闭解;推导了速度和加速度均光滑连续的多项式足端轨迹,在MATLAB/Simulink环境中建立了机器人的运行学数值分析模型,分析结果表明机器人运动过程中具有连续的关节速度和加速度曲线。(2)建立以足-地接触点为原点的参考坐标系,基于Lagrange方法推导了仿鸵鸟机器人的动力学方程,并在MATLAB/Simulink环境中建立动力学数值分析模;为验证动力学方程的正确性,在多体系统动力学仿真软件ADAMS环境中建立了机器人的虚拟样机仿真模型;在相同机器人参数和仿真条件下,分别进行机器人的动力学仿真和虚拟样机仿真,仿真结果高度吻合,证明了动力学方程的正确性。(3)在复杂机电液系统建模与仿真软件AMESim环境中建立了机器人的单腿仿真模型,并进行了自由跌落和恒速步行的运动规划与仿真实验,获取了机器人在步行过程中足-地冲击、关节驱动和各杆件边界约束的力学信息,为关节驱动单元和杆件的优化设计提供了科学依据。(4)基于确定的拓扑结构和运动学分析结果初步确定机器人机构尺度和结构参数;进一步依据动力学分析和虚拟样机仿真结果对杆件进行有限元分析,在保证足够强度和刚度条件下最大程度减轻杆件质量,以提高机器人的动态特性和运动能效;根据仿真分析获取的关节速度和驱动力矩参数,确定关节驱动电机和行星减速机构参数,并进行一体化设计;最后,将优化后的机构、关节驱动、电池、控制系统、传感系统集成为仿鸵鸟机器人物理样机。