足式机器人如今在视野范围内的路径规划方面有了长足的进步,能够避开或越过结构性地形。但是足式机器人侦查、测绘、救险等工作需要在松软、坑洼等野外地形下开展,这类非结构性地形往往因为土壤的物理参数及力学特性未知,容易使得机器人足端陷入较为松软的沙土中无法继续行进,在与地面接触过程中不能产生良好的附着而产生打滑现象。足-地作用力学研究则为足式机器人应对非结构性地形提供了核心解决方案。本文结合地面力学与经典土力学理论建立分段式足-地作用力学模型,并进行松软地质下足-地作用力学模型的参数辨识与实验研究。为建立完善的足-地作用力学模型,首先分析地基沉陷过程的机理,修正以往只考虑压实剪切阶段的模型。在压实剪切和破坏两个阶段分别应用地面力学的承压特性、经典土力学的极限承载力理论,提出平底足-地作用力学分段的模型。使用地面力学应力积分方法对半圆柱形足和球形足建模,分析该模型的适用范围。考虑到机器人运动时不同速度角推土效果对沉陷量的影响,推导得到考虑速度角的平底足-地作用力学模型。为满足机器人足端法向侵入沙土、以一定速度角侵入沙土等实验的功能要求,设计开发了单足试验平台。设计了运动装置系统用于调节机器人足的各种运动状态。开发了配套的动力驱动系统,能够反馈并精准调节水平及垂直电机的速度量与位移量。开发信号采集系统,采集到足-地作用时的六维力、速度量、位移量等数据,为后续足-地作用力学实验分析提供数据支持。为获取精确的土壤力学参数,提出了分段式土壤参数辨识的方法,改进了现有参数辨识中整体拟合方法拟合结果偏大的问题,使用加权求均值的数据处理方法和基于最小平方误差原则的拟合方法得到松软地质的承压特性参数,提高了参数辨识的精度。设计直剪试验测量得到土壤内摩擦角,根据辨识得到的内摩擦角求解出太沙基理论相关的地基承载力系数。设计半径不同的圆形、方形平底足实验,分析得到各荷载下曲线坍缩到同一条主曲线上,线性段无量纲系数不受足底面积和形状的影响;理论分界点的沉陷量与实验结果吻合较好,验证了破坏阶段极限承载力原理的正确性及分段式平底足-地作用力学模型的有效性。设计半圆柱形足与球形足实验,平均最大误差率在合理范围内,验证了半圆柱形及球形足-地作用力学模型的有效性。设计不同速度角下平底足实验,辨识出承压特性的缩放系数和线性段系数,并成功预测了速度角为45°时大半径平底足法向作用力与沉陷量关系以及最终沉陷量。