近年来,随着我国人口老龄化程度日益加剧,陪护人员数量也在增加,造成了人力资源的浪费,同时一些重体力、高频率工作人员经过长期劳作,身体出现了问题,导致生活质量下降。因此考虑采用下肢外骨骼机器人来辅助劳动者工作,以减轻其劳动强度,减少重体力劳动者身体劳损。目前下肢外骨骼机器人存在较多技术难题,比如型大、体重、制造困难、助力性能难以评价等。本文在分析外骨骼机器人型大、本体重及制造困难等技术难题基础上建立了轻型、可伸缩、踝关节被动气弹簧驱动的下肢外骨骼机器人;基于助力外骨骼机器人助力性能难以评价难题建立了人机耦合模型,通过分析人体下肢肌肉力及肌肉能量代谢情况来判断下肢外骨骼机器人对人体的助力作用。具体研究内容如下:(1)针对目前外骨骼机器人体形大、本体重、制造困难等问题,本课题考虑髋、膝关节轻型驱动和踝关节气弹簧被动驱动方式建立了轻型外骨骼机器人结构模型。采用了可伸缩连杆作为下肢外骨骼机器人腿部机构,以满足中国女子身高尺寸的第5百分位数和中国男子身高尺寸的第95百分位数之间的需求者,实现一机多用。(2)建立了下肢外骨骼机器人运动学和动力学模型并进行了理论分析。基于ADAMS平台对两种踝关节下肢外骨骼机器人模型进行了运动仿真,并与正常人体行走步态数据进行了比较,验证了所建立的气弹簧踝关节下肢外骨骼机器人模型的正确性。(3)基于人体运动仿真软件OpenSim建立Walking耦合模型(行走步态)和Running耦合模型(跑动步态),对两种模型进行了如下研究:首先,利用缩放工具对模型进行了标记与缩放。其次,基于逆运动学工具对缩放后的两种模型进行了逆向运动学分析,得出运行良好的耦合模型运动数据,对运动数据进行了残差缩减,降低了耦合模型平均残余力和平均残余力矩。最后,通过肌肉控制计算工具对两种模型进行了肌肉控制计算,对人体下肢各肌肉力、各肌肉能量代谢进行了分析,结果表明穿戴下肢外骨骼机器人可以显著降低Walking和Running两种步态下人体运动时能量代谢,验证了所设计的下肢外骨骼机器人起到了助力作用。