下肢外骨骼技术融合了机器人学、仿生学、控制理论、信息处理、通讯技术等多学科的知识,同时涉及传感、控制、信息耦合、移动计算等技术,将人的智能与机器人的机械能量结合起来,完成一定的功能和任务。本文分析了国内外下肢外骨骼的发展历史、分类以及研究现状,针对外骨骼的研究难点,结合机构构型设计理论,提出了一种新型混联增力式下肢外骨骼,并对外骨骼的机构性能进行了详细设计。本文的研究成果为下肢外骨骼的机械设计与性能研究提供了新的构型方案和理论方法,主要内容如下:(1)分析总结了增力式下肢外骨骼的机械设计指标,提出了新型混联式下肢外骨骼,并基于人体下肢的生理学结构,对外骨骼进行了关节布置与自由度分配。外骨骼采用拟人腿的设计,具有与人腿相似的髋关节和踝关节布置,但是无膝关节。根据人体步行的动力学分析,确定了外骨骼下肢的主动关节与被动关节,并基于行走性能对并联腿结构进行了设计。(2)对外骨骼下肢的拓扑状态进行了分类,并描述了末端运动特征,提出了“特征状态”的概念。基于不同的拓扑状态,建立了外骨骼下肢的数学模型、左右腿关节的空间位置模型、速度模型与承载力模型。(3)基于外骨骼下肢的运动学模型,分析了外骨骼的尺寸对运动跟随性能、承载性能的影响,对平行四边形并联腿与筝形并联腿机构作了尺寸参数设计。根据人体关节的运动范围确定了外骨骼下肢的关节运动范围,并进一步确定了外骨骼下肢的工作空间。(4)根据外骨骼下肢的拓扑分类,分别建立了无支撑、单腿支撑、双腿支撑的外骨骼动力学模型。引入储能弹簧以降低并联腿驱动力矩的峰值,并提出了储能弹簧的选型原则,分析了弹簧原长与弹簧常数对外骨骼承载性能的影响。对“Hy-Mo”驱动器进行选型与驱动布置。(5)建立了人体下肢步行运动的谐振摆模型,推算出人体步行的最适步频。建立了外骨骼下肢的谐振摆模型,分析了外骨骼的固有摆动周期与下肢各构件质量之间的关系,为设计特定摆动周期的外骨骼提供了依据。通过实验实现了与外骨骼下肢固有周期匹配的摆动。(6)建立了人体下肢与外骨骼下肢的打击中心模型,以减轻下肢受到冲击时对髋关节的影响。分析了打击中心位置与构件质量之间的关系,为设计以踝关节为打击中心的外骨骼提供了依据。通过实验测定了外骨骼下肢打击中心的真实位置。