目前全球老龄化形势日益严重,因人体衰老、伤病带来的下肢运动能力受损不可避免。辅助下肢肌力衰退人群的传统设备种类繁多,虽然可以一定程度上解决肌力衰退人群移动的问题,但并不能为使用者提供良好的辅助效果,很难保证使用者的生活质量。为改善上述的问题,近些年出现一系列以减小穿戴者代谢能耗、康复助力为目的的无动力下肢外骨骼机器人,根据其辅助关节的个数划分,可分为多关节无动力下肢外骨骼机器人与单关节无动力下肢外骨骼机器人。由于受当前材料与人体理论认识的限制,单关节外骨骼机器人在辅助效果、成本、自适应上优于多关节下肢外骨骼机器人。而在辅助关节的选择上,本文基于下肢行走运动时三个关节运动做功特点的研究,选择踝关节作为无动力外骨骼机器人的辅助关节,用于辅助肌力衰退人群助力行走。本文的主要研究内容如下:第一,对国内外相关研究成果、人体下肢关节解剖、步态行为进行研究,结合下肢各关节正常行走步态特点进行分析,得出无动力踝关节外骨骼装置的助力原理。第二,基于对人体运动理论以及国内外装置设计的研究,利用三维制图软件设计出装置模型,依据图纸加工出一款无动力踝关节外骨骼装置实物,并详细介绍了其结构设计、工作原理以及工作过程。第三,借助Open Sim人体运动建模仿真软件,利用Thelen方法对模型设置相应的触发条件和劲度系数,模拟无动力踝关节外骨骼对穿戴者的助力效果。第四,对无动力踝关节外骨骼装置样机进行两组性能测试验证。运用VICON运动捕捉系统、AMTI三维测力跑台以及Delsys肌电设备对穿戴者的运动时空参数与肌电信号进行采集分析,利用MASTERSCREEN CPX METABOLIC CART系统对受试者的心率和代谢进行监测分析。仿真实验与样机穿戴实验结果表明,本文设计的无动力踝关节外骨骼装置样机有一定助力效果,能减小穿戴者的代谢能耗,满足装置设计目标。仿真结果证实,随储能弹簧劲度系数的增大,相关肌肉力量和肌肉做功呈下降趋势,劲度系数每增加4000N/m,比目鱼肌的最大肌力平均减少223N,腓肠肌的最大肌力平均减少33.2N。比目鱼肌做功范围由154.2W降至86W,腓肠肌做功范围由235W降至218.6W。样机穿戴实验结果表明,随着储能元件劲度系数的增加,穿戴者的腓肠肌、比目鱼肌肌电信号波峰最大可减小16%,21.2%,穿戴者的代谢消耗最大可减少3%,心率可由105BPM降至99BPM。