仿人机器人的结构仿照人类设计,相比轮式机器人,在复杂地形和恶劣的环境中拥有更强的适应能力。但目前仿人机器人的脚部结构仍比较简单,多种功能比较缺乏,导致未能发挥仿人机器人在非结构化环境下运动能力高、适应性强等特点。本文在分析总结国内外仿人机器人脚部结构的研究现状的基础上,针对以上问题,对仿人机器人新型的脚部结构进行设计优化与仿真研究。首先,通过分析人体脚部的构成,确定了仿人机器人脚部结构中各个部件的尺寸与功能划分,建立了脚部结构简化模型。运用倒立摆模型对简化模型进行了研究,确定了各个部件的作用阶段与运动参数。同时分析了脚部关键部件在行走中的应力,为后面的结构设计提供数据支撑。然后,总结了目前主要的串联弹性驱动器结构,为仿人机器人脚部设计了二自由度柔性踝关节机构。机构为机器人脚部加入了额外的运动自由度与弹性元件,包括高集成度的并联液压驱动模块、专用的串联弹性驱动器与类跟腱的变刚度结构,提高了仿人机器人的运动能力与抗冲击能力。在结构件的设计上运用了拓扑优化设计,保证结构件的强度并减轻其重量。同时,比较了不同柔顺方式的优缺点,根据前后脚掌不同的应用情况设计了不同的主被动柔顺机构。后掌的被动柔顺结构在脚部受到冲击力时能够提供缓冲作用,前掌的主动柔顺结构能够使机器人脚部适应不同的地形环境。根据ZMP稳定判据为机器人脚部设计了合适的传感器网络布局。接着,搭建了仿人机器人脚部结构的虚拟样机,对脚部结构进行了运动仿真与关键机构的性能分析。运动仿真中得到了脚部样机各个关节在行走过程中的运动参数,并根据前后掌应力曲线研究了机器人脚部样机的步行阶段划分。性能分析中对后掌缓冲机构、前掌变阻抗机构与类跟腱储能机构进行了分析,分析了各个机构的性能。最后,对全文进行了总结,并对未来研究方向做了展望。