目前,随着外骨骼研究的日趋成熟,外骨骼的研究已逐渐朝着轻量化和小型化发展。减轻外骨骼的质量与体积,减少外骨骼对人体运动不必要的交互,可以提高外骨骼穿戴的舒适度以及提升外骨骼助力效果。为减轻外骨骼的重量,使其更加轻量化、小型化,本论文将采用峰值功率放大机制来降低外骨骼对驱动部分功率的要求,使外骨骼驱动部分可以采用低功率、重量轻的小型电机,从而使外骨骼整体重量降低。本论文研究的主要内容如下:(1)对峰值功率放大踝关节外骨骼的工作原理进行分析研究。人体在行走过程中踝关节跖屈给人体前进提供了主要能量,其峰值功率高,做功时间短,约为整个步态周期时间的15%,因此踝关节外骨骼给踝关节助力的阶段一般仅为人体蹬地时踝关节跖屈运动的阶段。根据踝关节做功特点以及外骨骼助力特点,本论文外骨骼采用一种峰值功率放大的方法,即外骨骼在人体非蹬地阶段时,电机向储能元件存储能量,在需要外骨骼助力踝关节跖屈运动时,由储能元件释放能量,输出类似于踝关节蹬地时的峰值功率,助力踝关节,从而可以降低外骨骼对驱动部分功率需求,采用小功率质量轻体积小的电机。(2)根据该外骨骼的工作原理对其结构与硬件参数部分进行设计与研究。结构设计方面主要包括带有离合器的驱动部分、储能结构以及穿戴部分的设计,其中离合器部分的开合是通过一个带有凸轮的舵机与复位弹簧实现的。本文通过对外骨骼与人体交互的受力分析,对外骨骼的整体结构进行优化改进;其次,在外骨骼的峰值功率放大方面,提出采用变刚度储能元件卷簧提高储能元件储能能力,使外骨骼在助力过程中产生较为平稳的助力力矩以及更高的助力功率。(3)在控制方面,本论文外骨骼的控制主要包含两部分,上层控制基于IMU的步态相位识别用于判别外骨骼的助力时机;下层控制主要包括电机部分控制与离合器部分控制,依据上层控制发送的指令控制离合器的打开与闭合。(4)外骨骼的效能评估实验。根据本外骨骼的系统特征,分别进行了峰值功率放大实验,用于分析外骨骼实际工作的峰值功率放大效果;以及人体穿戴外骨骼的下肢生物力学实验。经实验表明本外骨骼产生的峰值功率值为35.22w,人体在行走时踝关节峰值功率可降低11.25%。