地球陆地拥有超过50%的崎岖地形,而四足机器人能以最好的静稳定性及较低的复杂度快速通过。高危或者非结构化环境中的运输传送、侦查救援、星球探测等任务对足式机器人的高速高灵活性具有现实而迫切的需求。而足式机器人拥有典型的高冗余度多支链、拓扑结构实时动态变换的传动机构;且高速运动中极短的足-地接触时间、极大的着地冲击及强非线性运动耦合为足式机器人动步态运动带来更高挑战。反观自然界中的猎豹拥有柔韧的脊柱、轻盈的骨骼及细长有力的四肢,能够在5秒内加速到120千米每小时。参照猎豹结构形态进行机体设计、在矢状面上引入脊柱环节并充分分析高速运动机理已经成为国内外科研人员研究四足机器人高速运动的共识。四足机器人的动步态研究经历了从低速到高速、从刚性躯体到可变形躯体、从简单脊柱控制到脊-腿协调控制的过渡。表征动物体动步态运动的弹簧负载倒立摆模型（Spring Loaded Inverted Pendulum,SLIP）作为传统刚性躯体足式机器人的本质级模型在中低速动步态运动控制中获得了广泛的应用,但已有的简化SLIP模型往往忽略高速运动的摆角和速度特征,强烈的耦合现象降低了机器人高速运动的稳定性。且为高速运动引入的脊柱环节不仅对原有刚性躯体中连接足尖到肩/髋关节的虚拟腿造成扰动,而且在大跨步步长、甚至使后腿超越前腿的严苛要求下,单腿SLIP模型触地角大大超出原有的摩擦角范围,沿用传统的简化SLIP模型将带来足尖打滑等失效问题。本文围绕高速运动的速度生成机制,逐一分析高速运动的制约要素并引入脊柱环节以提高运动速度上限。本文以SLIP模型为指导,从高速机器人的结构基础着手,建立并优化了面向高速运动的轻质高效及大跨步步长的放大尺并联驱动腿部结构,提高了极限摆腿频率;构建了包含腿部摆角和水平速度特征的着地相稳态“三角运动模型（Triangular Motion Model,TMM）”以更加精确地估算着地相腿部刚度,实现对着地时间的精确控制;将着地相摆角及腿长控制器（Leg Length Controller,LLC）嵌入到着地相模型中,提出了基于简化SLIP模型的顶点高度前馈控制器（Simplified SLIP Model Feedforward Controller,MFC）及其能量调节方法以解决高速运动中水平速度与竖直高度的耦合性问题,阐明了能量“平衡点”及其周围的能量流动关系;进一步引入脊柱扩大跨步步长,并根据仿生学原理建立了双关节脊柱及其驱动模型,提出基于SLIP迁移模型的脊-腿协调控制方法以解决高速运动跨步步长与摩擦角约束的核心矛盾,实现了SLIP模型从单足到脊柱驱动四足机器人的统一以及机体运动的有机协调。文章最后搭建了液压驱动脊柱型四足机器人样机及二维正交运动实验平台,比较了被动步态与主动力矩法在高速运动中的性能表现;通过采用不同的脊柱运动步长占比,验证了脊柱型四足机器人高速运动特性及基于SLIP迁移模型（SLIP Migration Model,SMM）的脊-腿协调控制方法的可行性,同时分析了步长占比及脊柱引入对机器人整体运动性能的影响。本文在探求四足机器人高速运动机理、扩展SLIP模型在脊柱型四足机器人动步态上的应用及脊-腿的协调控制等方面具有重要的理论和实践意义。