在双足步行机器人研究领域,研究者一般会参考人类进行设计,因为目前还没有一款机器人的综合性能能够超越人类。人类下肢具有足够的柔性,不但可以让人实现流畅、省力的双足步行,而且可以保护下肢的关节。人类下肢灵活、节能、吸收冲击的特点对于双足机器人来说,具有十分重要的借鉴意义。目前国内外对于柔性关节的研究已经具有一定成果,柔性关节的结构形式十分多样,但是现有的柔性关节设计大多不能很好地应用在双足机器人系统中。为了研究柔性关节对双足机器人步行运动的影响,本文设计了一种新型的可调刚度柔性关节,并研制了包含髋关节、膝关节、踝关节的双足欠驱动机器人样机,将柔性关节应用在了踝关节上。还设计了欠驱动机器人的周期步行控制器,确保机器人实现稳定的步行运动。最后通过仿真和实验验证了控制策略的正确性,证实了柔性关节对机器人步行运动的积极影响。首先,根据人类下肢的关节数和自由度数确定了机器人的自由度分布;分析主动机器人、被动机器人的优缺点确定了驱动方案;设计了6自由度双足步行机器人的整体机械结构;利用杠杆原理设计了可变刚度柔性关节的机械结构,对可变刚度柔性关节的电机扭矩进行了实验测定。其次,通过分析机器人的足部结构,忽略了足尖擦地的问题,将机器人整体结构简化为“五杆四驱动”点足模型;运用基于能量的拉格朗日原理,在状态空间中建立了单腿支撑动力学模型;基于有接触力项的拉格朗日方程和虚功原理,在状态空间中建立了机器人双腿支撑动力学模型。第三,基于计算力矩法以及虚拟约束原理,将机器人的时变参数转化为时不变参数,用于参考轨迹的追踪;基于反馈线性化方法分离出机器人的关节力矩项,设计了机器人的反馈控制器;利用贝塞尔多项式规划了欠驱动机器人的时不变步态;选择了极限环作为机器人的稳定性验证方法,对机器人的周期步行稳定性进行了分析。最后,建立了双足机器人步行实验平台,研制了带有柔性踝关节的双足机器人行走样机,通过在ADAMS中进行可变刚度踝关节的仿真,分析了可变刚度关节对机器人步行运动的影响;完成了两种步行实验,一种是棋盘式路面连续步行实验,验证了控制参数对机器人步行运动稳定性的影响;一种是单步实验,研究了机器人可调刚度踝关节对步行运动的影响。