脊柱能够提升脊椎动物运动的灵活性、稳定性和协调性。目前四足机器人主要采用刚性躯干,在灵活性、稳定性和协调性方面存在不足。而基于仿生学原理的柔性脊柱是四足机器人中一种新型的结构,能够改善运动姿态的协调性和稳定性,对四足机器人运动性能的提升有着重要作用。可变步幅的腿部结构可避免复杂的步态切换,使机器人更好的适应不同的地形状况,从而提高四足机器人对非结构化环境的适应性。因此突破四足机器人结构限制,有助于扩大四足机器人的应用领域,推动四足机器人向实用化发展。虽然目前国内外涌现出了许多高性能的四足机器人,但在协调性、稳定性和对不规则地形的适应性等方面与仿生机体还有一定差距。本文在充分调研四足机器人腰部结构和腿部结构的基础上,结合四足机器人小型化、低能耗和高效率等需求,以提高四足机器人运动姿态稳定性和对不规则地形的适应性为目标,采用深入理论分析、虚拟样机仿真和搭建实验样机验证的方式,结合仿生学原理、最优化设计方法和计算机仿真等理论,对机器人脊柱结构、腿部结构、运动学和动力学等关键问题进行深入研究,主要研究内容如下:(1)从仿生学原理出发,在分析生物机体结构特点的基础上和不影响其主要功能的前提下,对腿部和腰椎结构进行了合理的简化。依据腿部及腰椎结构的设计原则,提出了可变步幅的腿部结构和可全向变形的仿生柔性脊柱结构,并对四足机器人的整体结构进行了合理的布局。(2)在分析生物机体运动时足端轨迹特点的基础上,得到了适用于四足机器人足端轨迹的要求,并对机器人足端轨迹进行了规划,结合多目标遗传算法和目标达到算法对腿部结构参数进行了优化,确定了腿部结构中各杆件的长度及位置。根据机器人在不同状态下脊柱的受力,得出了满足目标条件的椎内柔性体的截面直径,并利用Ansys Workbench对柔性脊柱进行了拓扑优化,以满足轻量化设计要求。(3)在分析四足动物常用步态的基础上,选取了对角步态作为动力学分析的对象,并对四足机器人对角步态下的动力学模型进行了简化。分析了机器人各部分的动能、势能和广义力等,推导出了一系列已知量,并根据拉格朗日方程建立了具刚性躯干的四足机器人动力学模型和具柔性脊柱的四足机器人动力学模型。(4)基于虚拟样机技术,利用Adams软件进行了仿真实验。结果表明:优化的足端轨迹可以满足机器人运动过程中轨迹、速度和加速度连续平滑无突变的要求,达到了设计的目标;可变步幅的腿部结构使四足机器人能够根据不同地形调节步幅,避免了复杂的步态切换,提高了对不规则地形的适应能力,验证了腿部结构设计的可行性;柔性的脊柱结构能够减小机器人运动时质心的波动、偏移和所需的驱动力矩,从而提高了机器人运动姿态的稳定性、行走航线轨迹的准确性和节省能量。搭建了四足机器人样机实验平台,开展了足端轨迹跟踪实验、不同步幅下的运动实验和不同躯干条件下的对比实验,验证了足端轨迹的正确性、可变步幅腿部机构的可行性和柔性脊柱结构对机器人运动姿态稳定性和行走航线轨迹准确性的提高。