猎豹是陆地上奔跑速度最快的四足哺乳动物,其超高的奔跑速度和超强的爆发力让人印象深刻,所以猎豹的生理学特点、身体结构和奔跑方式受到了国内外学者越来越多的关注。高速奔跑的猎豹本身是一个瞬时不稳定的、与地面间断接触的、非线性的耦合多体动力学系统,所以保证身体姿态稳定是猎豹高速奔跑的前提。因此,对猎豹疾驰步态的稳定性进行深刻分析,对于研究形成猎豹超高爆发力和超高奔跑速度的机理具有重要意义,对于高速仿生四足机器人的设计和控制都具有重要指导作用。本文通过对猎豹身体骨骼结构进行抽象和简化,建立了具有躯干关节运动的被动动力学模型;提出了基于优化算法的庞加莱不动点搜索策略;通过分析疾驰步态运动学特性和稳定性之间的关系,提出了猎豹疾驰步态稳定性准则和疾驰步态不稳定度的概念;在对疾驰步态稳定性进行分析的基础上,提出了基于被动动力学模型的稳定性控制策略;基于稳定性准则,实现了对猎豹主动模型奔跑的稳定性控制,验证了稳定性准则的正确性和实用性;最后开发仿生猎豹机器人,实现对理论研究和仿真分析的实验验证。在对猎豹骨骼结构进行分析的基础上,建立了具有被动躯干关节和虚拟弹簧腿的仿生猎豹被动动力学模型。为了对比分析引进的躯干关节运动对疾驰步态运动学特性、动力学特性和稳定性带来的影响,也建立了具有刚性躯干和虚拟弹簧腿的被动动力学模型。通过对猎豹奔跑进行运动学分析,验证了仿生动力学建模的合理性和实用性。为了同时对多个参数进行搜寻,基于粒子群算法和庞加莱映射,提出了新的庞加莱不动点搜索策略,得到了一系列稳定的庞加莱不动点。提出了躯干关节控制策略,拓宽了躯干刚度和腿部刚度配合的范围,从而可以对疾驰步态运动学和动力学特性进行分析。在对稳定疾驰步态的运动对称性和稳定性进行分析的基础上,提出了疾驰步态稳定性准则和疾驰步态不稳定度的概念,从而可以对疾驰步态稳定性进行定量描述。基于稳定性准则和疾驰步态不稳定度,对两种猎豹模型中所有参数对稳定性的影响进行了定量分析。根据得到的稳定性规律,提出了基于被动动力学模型的稳定性控制策略,对受到外界干扰的疾驰步态进行调节和控制,最终使其恢复到稳定状态。理想情况下基于被动动力学模型的稳定性规律将为四足机器人的结构和机构设计提供优化依据,为复杂机器人的控制策略研究提供理论基础。以猎豹为生物学蓝本建立了仿生猎豹多体动力学模型,该模型躯干的两个转动关节和每条腿的四个转动关节,用来模拟奔跑过程中剧烈的躯干关节运动和腿部运动。为了对猎豹模型进行稳定性控制,在稳定性准则基础上提出了主动稳定性控制策略和各个关节的驱动策略。最终实现的稳定跳跃步态验证了稳定性准则的正确性和实用性。而且通过刚性躯干模型和柔性躯干模型之间的运动学对比,得出了引入躯干关节会提升猎豹奔跑的运动学和动力学表现的结论。构建了仿生猎豹机器人实验平台,重点对猎豹的躯干关节和腿部关节进行了仿生设计。提出具有“高级-中枢-低级子控制器”的三级仿生控制系统对机器人进行控制,并采用硬件对控制系统功能进行实现。在跑步机上分别实现了具有刚性躯干和柔性躯干的rotary gallop步态,并且对稳定性准则进行了实验验证。通过对比两种不同躯干形式猎豹机器人的实验数据发现:猎豹躯干关节运动能够给疾驰步态稳定性带来提升;而且奔跑速度越快,疾驰步态稳定性越好。