随着社会的进步,在复杂和危险的环境中工作的移动机器人引起越来越多的关注,足式机器人凭借其离散的落脚点的方式能够在复杂多变的地面灵活运动,然而当前研究在生物运动机理的研究还未深入,现已研发的机器人呈现出“形似而神不似”的问题,存在很多技术难点。本文针对目前足式机器人回转关节大多引入刚性驱动,能量利用率低及触地冲击等问题,对基于主-被动变刚度的柔性关节的足式机器人的单腿进行了机械本体的研发,并且研究了其单腿跳跃的动态特性。主要研究内容和创新性成果如下:首先,基于仿生学,研发了一款具有3自由度的具有主-被动变刚度柔性关节的串联单腿样机。对单腿的机构进行了优化设计,建立运动学模型进行空间运动优化分析,分析验证主动和被动变刚度理论的正确性和可行性。其次,针对被动状态下单腿原地竖直跳跃运动的适应性和稳定性问题,基于能耗角度分析角度,应用Hertz接触(弹簧阻尼)模型理论,引入主-被动变刚度的柔性回转关节的弹性输出力矩函数模型,建立了考虑足与地面弹性接触的二维被动竖直弹跳模型,进行动力学研究。然后,分析了在主动控制状态下,采用拉格朗日建模法,充分考虑电机内部阻尼参数对柔性弹腿系统跳跃的影响。在同一种足端接触面的情况下,分别建立了柔性单腿周期跳跃的着地相和腾空相动力学模型,在模型中引入被动变刚度和主动变刚度对应的数学函数作为弹性势能部分,基于能耗角度,建立了柔性关节和单腿系统的能量流原理模型,揭示了柔性单腿的主-被动变刚度功能与仿生学高度相符。最后,研制了一款具有主-被动变刚度柔性关节的单腿实验单腿样机,基于目标运动的控制思想,引入模糊PID的控制方法,进行了单腿样机的原地竖直跳跃实验设计及分析,验证了具有主-被动变刚度柔性关节的主动变刚度功能对单腿跳跃的作用规律,实现了实时在线调节单腿刚度特性的功能,比较了被动变刚度相比定刚度的优势所在,验证了理论的正确性及可行性,初步达到了单腿跳跃的高速型、高稳定性和高适应性的目标。