双足机器人凭借其仿人的机械结构与运动特点,在非结构化环境中具有较强的适应能力。头部结构与SLAM算法是双足机器人的重要组成部分,应具备在大范围、非结构化场景中稳定运行的能力。本文在分析总结国内外机器人头部结构与SLAM算法研究的基础上,针对本课题组研发的双足机器人,设计了基于激光雷达的头部结构与SLAM系统,主要工作如下:首先,设计了双足机器人头部结构并对其进行有限元分析。通过对双足机器人工作场景进行分析,明确了头部结构设计的指标,结合激光雷达硬件参数,确定了稳定器的选型。根据稳定器的尺寸,设计了头部平台结构,基于能量法明确了保护结构的设计尺寸,最终完成了双足机器人头部结构设计。使用Abaqus对头部结构进行有限元仿真分析,验证了保护结构的有效性。其次,针对目前主流3D激光SLAM算法存在的问题,提出了改进Le GOLOAM算法,使其满足本课题双足机器人的工作场景。针对Le GO-LOAM算法累计误差较大且存在重力矢量方向漂移的问题,本文提出了激光雷达融合IMU的算法,在位姿改变时提高匹配精度,并减少重力矢量方向的漂移。针对Le GO-LOAM算法回环检测粗糙、在大范围场景中地图难以闭合的问题,提出了基于SC描述因子的回环检测方法,优化Le GO-LOAM粗略的回环检测算法,使其在大范围场景依然能够完成回环检测。在KITTI数据集中测试改进算法,结果表明改进后的算法回环检测能力更强,IMU与激光雷达的融合减小了重力矢量方向的漂移,提高了地图的精度。然后,在校园实际场景中对本文设计的双足机器人头部SLAM系统进行了测试。实验结果表明本文设计的双足机器人头部SLAM系统能够精准的识别到回环场景,重力矢量方向的漂移更小,满足室外非结构化、大范围环境的建图需求,并能在地形变化的扰动下依然具备较强的稳定性。最后,对全文工作进行了总结,并对未来的研究方向进行了展望。