根据我国载人航天任务的规划,我国将在未来开展星表探测,这对现有航天服的性能,特别是下肢系统关节的灵活性和舒适性提出了更高的要求。目前的研究还缺乏对人体着服状态下的下肢关节性能的分析、关节结构的优化以及对低重力环境下的人体着服步态行走过程的理论分析。本文对航天服波纹式的髋关节和平褶式的膝关节进行了结构分析与优化设计,对地表和低重力环境下的航天服下肢系统步态行走过程进行了仿真,分析了行走过程中下肢关节的阻力矩变化。建立了考虑人服接触、腔内气压变化和限制带结构的波纹式髋关节有限元模型,并对无人条件下的关节阻力矩仿真结果进行了试验验证,对有人和无人状态下的关节阻力矩进行了对比分析,研究得到了波纹式关节阻力矩的主要来源,建立了波纹式髋关节的参数化模型,进行了关节阻力矩的影响因素研究,并在代理模型的基础上对波纹式关节结构进行了优化,得到了最优的结构参数。建立了由三层重叠褶片结构构成的平褶式膝关节有限元模型,模型包含了人服接触和腔内气压变化因素,对有人和无人状态下的关节阻力矩进行了对比分析,发现了平褶式关节阻力矩特有的变化特点,并分析了关节阻力矩的来源。建立了平褶式膝关节的参数化模型,通过直接优化的方法研究得到了最优的平褶结构形式。建立了人体下肢模型和航天服下肢系统模型,进行人服耦合仿真分析,对地球、火星和月球三种重力环境下人体着服步态行走过程进行了仿真模拟,得到了髋膝踝三种关节的关节阻力矩随步态行走的变化曲线,并且从人体自身运动和人服接触两个方面分析研究了下肢关节的阻力矩构成。本文研究得出了有人和无人状态下波纹式关节和平褶式关节的阻力矩变化曲线,揭示了两种关节的阻力矩成因,并给出了最优的结构形式。本文给出了低重力环境下着服人体步态行走过程仿真模拟的方法,并提出了一种低重力环境下宇航员运动过程中关节阻力矩的理论计算方法,可以帮助分析航天服下肢系统关节阻力矩。综上,本文对于航天服下肢系统的研究具有一定的理论意义和工程借鉴价值。