传统的四足机器人的设计更多考虑的是机器人腿部结构的设计、运动控制算法等,很少考虑躯干结构设计。自然界中四足哺乳动物可弯曲的躯干结构对其运动过程中速度、稳定性、能量利用率等方面都有积极影响。山羊具有出色的平衡能力,不俗的奔跑速度,良好的耐力,其躯干具有很大的研究价值。本文从山羊躯干生物学及运动学特性出发,结合医学数据采集、逆向工程等技术建立了山羊躯干生物模型,通过运动学实验了解山羊躯干运动特性,设计仿生躯干并进行仿真分析,为四足机器人躯干部分的设计与控制提供理论依据与数据支持。对山羊躯干进行局部解剖,确定了山羊脊椎骨骼、韧带、椎间盘及脊髓等组织的具体分布位置及形态特点。通过尺寸测量分析发现,横突尺寸呈先减小后增大的趋势,棘突的尺寸呈先增大后减小的趋势,椎体的长度呈上升趋势,上升的幅度相对于横突和棘突的尺寸变化较小。通过力学实验发现,在矢状面垂直和侧向方向,不同受力区间,胸椎与腰椎对力的敏感性有差别。采用医学影像结合逆向工程技术建立山羊躯干生物模型并进行有限元分析,结果表明,形变量较大的位置主要分布在施力位置的前端,脊椎模型首末两端形变量非常小,棘突位置形变量最大,从棘突尖部往下形变逐渐减小。等效应力较大的位置主要在整个脊椎的首段、末端,椎体应力比较大,应力在椎弓根位置最大,棘突、横突应力较小。椎间盘应力较大的地方主要分布在椎间盘的上下端,中间部分等效应力非常小。采用高清摄录系统进行山羊不同状态下的躯干运动学试验,并进行运动学特性分析,结果表明,三个点的角度变化范围基本符合:第二腰椎位置>第九胸椎位置>胸椎和腰椎连接位置的规律。第九胸椎位置角度多为正值,在运动过程中多为伸展状态,第二腰椎位置多为负值,在山羊运动过程中多为弯曲状态,胸椎和腰椎连接位置也是正值居多,但是要少于第九胸椎位置,山羊胸椎和腰椎连接处在行走过程中多为伸展状态,跨沟过程伸展和弯曲状态相近,摔倒过程中多为弯曲状态。进行了仿山羊柔性躯干的仿生设计与仿真分析,仿真结果表明,速度、位移和动能方面,仿生柔性躯干均大于刚性躯干,并且拥有三个弯曲点的柔性躯干2和柔性躯干3均大于只有一个弯曲点的柔性躯干1。在位移和速度方面,基于山羊躯干运动学实验数据的仿生柔性躯干2,均优于未使用运动数据的柔性躯干3,虽然柔性躯干2的后足和躯干中心点的动能小于柔性躯干3,但数值非常小。因此将山羊躯干运动学特性参数运用到机器人的运动控制中,将对机器人的运动效果有一定的提升,为四足机器人的设计控制提供一定的依据和参考。