随着自动控制工程、材料学及传感器等学科的发展,对外骨骼机器人的研究取得了很大的进展,而负重外骨骼机器人作为其重要分支,也取得了一些阶段性的成果,它不仅可以保护和支撑人体,还可以增强人的负重能力、耐力与速度。尽管如此,仍存在诸多的瓶颈限制着负重外骨骼的发展,如动力不足,持续工作时间短;人机交互性差;系统稳定性差,易发生倾倒等。本文对可穿戴式负重外骨骼的结构设计与优化方法进行了深入研究,主要完成了下列工作:通过分析人体下肢的生理结构、运动机理与步态,完成自由度划分、驱动关节的配置以及驱动方式的选择,利用SolidWorks软件为负重外骨骼机器人建立虚拟样机。采用改进的D-H法对负重外骨骼进行运动学正解分析,并分别运用MATLAB和Adams软件对其进行运动学仿真与分析,得到下肢末端轨迹曲线和各关节的角度、角速度、角加速度变化曲线,分别对处于单腿支撑阶段和双腿支撑阶段的外骨骼进行静力学分析,得到支撑腿各关节的关节静力矩。运用牛顿-欧拉迭代动力学算法推导出负重外骨骼的动力学方程,并分别运用MATLAB和Adams软件对该模型进行动力学仿真,得到各关节的驱动力矩变化图,通过对比验证了动力学求解过程的正确性。分别以液压缸质量最小和受力最小的加权为目标函数,采用Fmincon函数中的SQP算法和遗传算法优化髋关节和膝关节液压缸的安装位置,以人机膝关节的位置误差最小为目标函数,优化人机连接位置。针对ZMP稳定性判据的不足,提出了改进的ZMP动态稳定性评估方法;采用ZMP稳定性判据分析了负重外骨骼机器人在冠状面内的动态稳定性,采用改进的ZMP动态稳定性评估方法分析了矢状面内的动态稳定性;以ZMP位于稳定区域内的稳定裕度最小和ZMP位于稳定区域外的稳定裕度最小的加权为目标函数,运用遗传算法优化外骨骼上身质心点的位置。