机器人足地相互作用力学作为接触力学的分支科学,在足式结构设计、机体运动仿真、轨迹规划、跟踪控制,以及地面环境参数辨识等方面具有重要意义。硬质地面的准静态接触建模通常通过几何运动约束获得,动态接触通过弹性碰撞或弹塑性模型来预测,然而面对沙地、冻土、苔原和外太空星球表面等松软地面环境,由于存在法向沉陷和切向滑移等复杂现象,传统相互作用模型无法适用,因此需要解决相关的问题。机器人腿足可能以水平或倾斜的姿态与地面发生接触。平动接触为质点常规接触形式,旋转式接触则大多发生在刚体或柔性体之间,但足地旋转式接触缺乏有效的评估和预测手段。故此,建立足部与松软地面的相互作用模型需考虑构型足在多种姿态条件下与地面的接触形式,例如德国人工智能研究中心所开发的跖行四足机器人Charlie,是研究机器人足地力学的理想对象。本文开展了机器人腿足与地面的平动和旋转接触实验研究,包括跖行足与地面的仿生接触实验。针对平动腿足与地面的接触,分别开展了足部与地面的平动准静态接触和法向动态冲击力学接触实验研究。针对旋转接触,开展了平底和C形腿式构型足在沙土中的旋转实验,发现了转动矩形平底足与地面接触支撑力的单极值和牵引力的类正弦变化规律。利用人体行走的仿生接触实验确定了跖行足足地接触力从双极值切换至单极值时的临界速度以及足端各部分在足地接触全周期的支撑力关系,为模型预测结果评估和修正提供了数据支持。利用螺旋滑移理论建立了平底足与沙土的相互作用模型。基于极限承载理论建立了水平条形结构与沙土接触的力学模型,并推导了常规外形平底足与沙土接触时朗肯主动区域（Rankine active zone）的变化特征。针对平滑、非平滑以及复合几何外形平底足,分别建立三维平面内的被动压力积分模型。利用该积分模型结合简化的零合力矩方程,分别建立圆形和矩形平底足与沙土的法向/切向接触力学模型。通过添加朗肯主动区域渐变特征方程,减小了预测模型的误差,同实验结果对比验证了模型的有效性。利用比例系数和指数幂修正的螺旋滑移条件建立了曲面足与沙土的相互作用模型。基于Hansen半经验模型研究倾斜姿态角和三维宽度对足地接触力预测结果的影响。针对倾斜姿态角度的影响,引入转角比例系数;针对宽度的影响,引入倾角和长宽比协同影响的指数幂等效宽度,最终建立了包含比例系数和等效宽度改进的足地接触力学模型。利用该模型描述倾斜或水平条形微元与沙土的接触应力,将该应力在柱面足、球形足和C形足的作用区域上进行积分获得各种曲面足与沙土的接触力。基于建立的足地相互作用模型指导跖行足结构和C形足尺寸的优化设计。确定符合仿生结构的跖行足方案,分别根据足跟着地、足前掌离地和全足底触地三个阶段的足地接触力学提出步行性能的评价方法,将该指标作为优化目标完成跖行足尺寸和连接构件物理参数的设计,以及前端C形足半径和宽度尺寸的设计。以设计值为基准,分析了尺寸和物理参数的改变对步行性能的影响。最后,根据一种已确定的跖行四足机器人设计方案,系统的建立了机器人的运动学和动力学模型。将规划的运动步态和足端轨迹作为输入条件,开发了融合足地接触力学的跖行四足机器人松软地面运动仿真系统。通过比较关节力矩和移动速度等仿真结果得到了足端构型对该机器人步行性能的影响规律,验证了足地接触力学基于应用改进后模型的实用性和有效性。本文针对一种跖行四足机器人在沙地运动的足地接触力学进行系统的研究,对未来的运动规划、控制、仿真及应用等具有理论和实践指导意义。