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无源下肢外骨骼是一种辅助人体行走的装置,该辅助装置不依赖电动机等主动驱动元件,可以为人体行走提供助力并减少步行代谢能消耗。人体穿戴无源下肢踝关节外骨骼是一个复杂的生物-机械耦合系统,在人体行走过程中外骨骼会改变关节动力学特性及下肢主要肌肉的生物力学特性。本课题研究了一种基于离合器和拉伸弹簧的无源下肢踝关节外骨骼的动力学特性和生物力学特性,分析了外骨骼对人体行走的助力机理。论文工作主要如下:(1)从人体下肢结构、下肢主要肌肉及步态周期划分三个方面对人体下肢解剖学进行分析,基于Opensim生物力学仿真软件建立人体下肢肌肉骨骼模型,以下肢运动控制点的三维坐标与地面支反力为驱动,完成了人体正常步态运动下的下肢运动仿真。通过对人体肌肉骨骼模型进行运动分析,得到正常步态下髋、膝、踝关节的关节角度和下肢主要肌肉的肌肉力变化情况。(2)研究了一种基于离合器和拉伸弹簧的无源下肢踝关节外骨骼的机械结构和工作原理,建立人体-外骨骼的人机七连杆简化模型,建立人机七连杆单腿支撑相和双腿支撑相的动力学模型,借助Admas仿真软件建立包含无源下肢踝关节外骨骼的双足行走模型,对模型进行运动学及动力学仿真,分析了双足行走模型的运动学特性和动力学特性,分析了穿戴无源下肢踝关节外骨骼后各关节力矩变化规律,从理论上说明无源下肢踝关节外骨骼可以在步行支撑中期为人体踝关节提供扭矩,从而达到了助力效果。(3)利用Opensim生物力学仿真分析软件建立人体穿戴无源下肢踝关节外骨骼的生物—机械耦合等效人机模型并进行运动仿真,通过对比分析人体穿戴外骨骼前后人体下肢主要肌肉的肌肉力、肌肉活性、肌肉收缩速度和代谢能的变化规律,分析了穿戴外骨骼对人体下肢生物力学特性产生的影响。结果表明,无源下肢踝关节外骨骼能够降低踝关节处肌肉的活动,并且通过减少肌肉活动来降低人体行走代谢能损耗。