随着科技的发展,机器人已经在诸多领域得到了广泛的应用。传统的轮式以及履带式机器人,由于其结构本身的限制,导致它们的运动往往需要连续的支撑面,因此难以应对较为复杂的非结构化地形,如沟壑、陡坡。相比于传统的机器人构型,足式机器人的运动只需要离散的支撑面,因此具有更好的地形适应性。而离散支撑面具有高度和间距不断变化的特点,传统的步态规划方法往往难以适用。因此,本文对仿人机器人在离散支撑面下的步态规划和自主步行控制方法进行了研究,并结合步行需求对机器人的腿部结构进行了优化设计,具体内容如下:首先,提出了一种针对离散支撑面的步态规划方法。将仿人机器人简化为平面七连杆模型并进行了运动学和动力学建模,建立了关节角度、关节力矩以及关节空间轨迹三者之间的关系。针对离散支撑面变高度和变间距的特点,提出了两步步态规划化法。该方法根据离散支撑面下不同目标落脚点的位置,运用关于时间的高阶曲线对机器人髋关节和摆动腿踝关节的运动轨迹进行规划。结合机器人实际运动过程中的多种约束条件,建立了适应度函数,从而将步态规划问题转化为了优化问题。采用差分进化算法优化了机器人的关节轨迹参数,并建立了步态库保证了步态规划的实时性。接着,提出了一种离散支撑面自主步行控制方法。该方法利用激光雷达检测地形得到了目标落脚点,将目标落脚点代入步态库和运动学模型得到了关节角度,从而驱动机器人步行。搭建了联合仿真环境,在Webots下完成了仿人机器人建模,在Matlab中编写了自主步行控制器,验证了该方法的正确性。最后,分析了Webots返回的运动数据,为后续的结构设计提供了依据。接着,对腿部结构进行了优化设计。针对机器人在离散支撑面步行时膝关节运动范围广、力矩大的问题,提出了一种仿髌骨机构和摆动导杆变幅机构相结合的膝关节传动方案。采用差分进化算法优化了设计参数,使传动机构在满足步行需求的同时做到了液压缸出力裕量最大化。同时,针对离散支撑面步行时关节冲击大的问题,在solid Thinking Inspire软件中建立了多种工况,对机器人腿部结构进行了拓扑优化设计。最终,在保证强度的同时实现了结构的轻量化。最后,对本文的研究工作进行了总结,并对未来的研究工作进行了展望。