疾驰步态作为四足哺乳动物及仿生四足机器人研究领域的重要组成部分,越来越受到国内外研究学者的关注。现如今仿生四足机器人的研究正逐渐向高灵活性、高移动速度的方向发展,而现有四足机器人的研究热点主要集中于中、低速运动步态,若进一步提高四足机器人的运动速度,拓展其应用范围,采用中、低速运动步态进行研究终究会遇到瓶颈。四足哺乳动物在中、低速区间有唯一确定的运动步态模式,而在高速运动区间存在疾驰步态的运动模式分化,因此,分别对适合于不同类型四足哺乳动物疾驰步态的运动特点及疾驰机理进行深入分析具有重要意义。本文以两种不同疾驰步态的代表性动物的生物形态特征、解剖学特征及运动特征为为参照,针对疾驰理论模型的缺失分别建立了描述两种类型疾驰步态的动力学模型;提出了疾驰动力学模型周期不动点搜索策略;分别研究了两类疾驰步态的内在疾驰机理,并同时对两类疾驰步态进行了无量纲模型构建和综合性能分析;基于真实四足动物在疾驰步态中所呈现出的躯干运动特点及其多关节协调机理,构建了具有仿生弹性脊椎关节的四足疾驰机器人,并通过物理实验对关键疾驰机理进行了实验验证。以自然界中四足哺乳动物采用Transverse Gallop步态及Rotary Gallop步态的典型动物(马和猎豹)为生物学参照,分别建立了描述两类疾驰步态的四足疾驰动力学模型。马的躯干等效为刚性躯干,腿部在疾驰运动中等效为线性弹性元件。针对猎豹的躯干在疾驰中具有大幅度蜷曲与伸展运动,并且具有高爆发力的特点,建立了具有主动驱动单元的关节腿和具有弹性脊椎关节的躯干的动力学模型。基于Transverse Gallop步态动力学模型对其疾驰性能及疾驰机理进行系统研究。根据马动力学模型的对称性特点,提出了高效的庞加莱不动点搜索策略,并通过设定不同初始运动状态量及不同运动参数,在已获得周期不动点的前提下对疾驰运动参数与疾驰性能之间的规律进行了系统分析,揭示了Transverse Gallop步态的俯仰角速度动力学特性。在已获得Rotary Gallop步态周期不动点的基础上对猎豹的疾驰机理进行了分析。基于猎豹的动力学模型的特点,提出了分步式降维步态搜索策略,降低了高维度庞加莱不动点搜索难度。在此基础上,对疾驰过程中影响疾驰性能的运动参数进行了系统性分析。分析结果除了能深入理解脊椎关节对疾驰性能的作用规律及运动参数在疾驰过程中的影响,还可对设计仿生猎豹机器人提供理论指导和设计依据。为将两种类型疾驰步态置于统一的分析框架进行综合性能分析,引入了动物学家在研究不同种类四足动物步态中广泛采用的无量纲化分析法。基于该方法得到了疾驰步态的无量纲动力学模型,并分别从矢状面躯体形态比例及无量纲水平运动速度方面对两类疾驰步态的疾驰性能的关键评估指标进行了综合对比分析,得到了两类疾驰步态适合的应用场合,为设计针对性应用场合的疾驰步态四足机器人提供了理论依据。最后,为验证关键疾驰机理的正确性,开发了具有弹性脊椎关节的疾驰仿生四足机器人SQBot。该机器人具有锁止-解锁机制的弹性脊椎关节和适合于高频率摆动的惯量集中式仿生腿。基于中枢模式发生器建立了实现机器人疾驰步态的控制器。在实验平台上实现了四足机器人的疾驰步态,并在平整地面上实现了机器人的自由跳跃步态。通过改变机器人躯干的属性、水平速度等关键参数对两种类型疾驰步态的关键疾驰机理进行了物理实验验证。结果表明,疾驰步态十分适合于高速运动,在高速运动中可大幅提高四足机器人的运动性能。