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腿式机器人在面对复杂非连续地形时，具有轮式机器人无法相比的优势。自上世纪80年代开始，国内外科研人员对腿式机器人展开了广泛且深入的研究。特别是2005年以来，美国Boston Dynamics公司的BigDog、 LS3等四足仿生机器人发布后，更是掀起领域内对腿式机器人研究的热潮。 单腿机器人是腿式机器人的基本结构单元，是研究腿式机器人的基础。本文以单腿机器人作为研究对象，就动力学建模、跳跃步态规划、跳跃运动控制及仿真平台搭建等几方面对其展开深入研究，具体工作包括以下几部分: 首先，基于改进的弹簧负载倒立摆（Spring Loaded Inverted Pendulum，SLIP）模型，对单腿机器人进行动力学建模。与传统SLIP模型相比，本文采用的改进模型引入了身体质量分布，以及上下腿结构，使得该模型更接近真实单腿机器人系统。分析单腿机器人跳跃过程中腾空、触地及碰撞三个运动状态，分别利用牛顿-欧拉方程迭代方法，推导单腿机器人三个运动状态下的混合动力学方程。设计仿真实验，并通过与物理引擎PhysX的对比，验证推导模型的正确性。 其次，针对单腿机器人的跳跃运动，提出稳定前向跳跃及变速过渡跳跃两种不同的运动状态，并分别对其步态规划问题做了详细的数学描述。由于机器人关节上采用串联弹性驱动器(Serial Elastic Actuator，SEA)作为驱动方式，本文基于能量理论，将关节驱动力矩在L2（[0，T]）空间中，用傅里叶级数形式展开。在引入能量利用率函数作为目标函数后，本文将上述步态规划问题转化为系统闭轨线最优化问题，并利用序列二次规划(Sequential Quadratic Programming，SQP)求解。针对SQP方法中需可行初值的问题，本文对可行初值搜索问题进行描述，并利用LM(Levenberg-Marquard)算法，求解上述初值搜索问题。综合上述优化过程，本文给出实际规划流程。针对单腿机器人实际应用，利用本文提出的能量最优步态规划方法，仿真给出原地跳跃、稳定前向跳跃及变速过渡跳跃等若干规划结果。 再次，针对单腿机器人跳跃运动的控制目标，本文利用逆动力学前馈与PD反馈控制器相结合的控制方法，设计分阶段轨迹跟踪控制器，实现单个步态周期内对最优目标轨迹的跟踪。针对机器人跳跃过程中，运动阶段切换造成的目标轨迹与实际系统状态间不同步问题，本文提出一种在线目标轨迹同步方法。在simulink仿真下，本文实现了对机器人跳跃运动的控制，并给出仿真结果。 此外，本文针对单腿机器人髋关节及膝关节力学需求，设计一种旋转型SEA及直线型SEA，并简要分析其动力学特性。基于所设计的SEA，本文对单腿机器人动力学仿真做了详细需求分析，并利用PhysX物理引擎及OpenGL渲染引擎设计并实现了单腿机器人仿真系统。 最后，总结全文工作，本文的主要贡献如下: 1.本文对经典的SLIP模型进行改进和扩展，使其对单腿机器人的描述更加精确。利用牛顿-欧拉方程迭代法对改进的SLIP模型动力学建模。通过仿真实验与PhysX动力学引擎的对比，验证了本文所推导的动力学模型的正确性; 2.本文提出并定义了单腿机器人稳定跳跃及变速过渡步态规划问题。以能量利用率最高为目标，利用SQP方法，对上述问题进行求解，并给出完整的规划流程。利用LM算法，本文实现了对SQP方法中可行初值的确定; 3.本文设计了前馈与反馈相结合的分阶段轨迹跟踪控制器，实现了单腿机器人在单步态周期内的轨迹跟踪。针对目标轨迹与系统响应所处运动阶段的不同步，本文设计了在线目标轨迹同步方法，实现了对连续跳跃运动的控制; 4.本文设计了髋关节旋转型SEA及膝关节直线型SEA。基于上述SEA，设计并实现了单腿机器人仿真系统。