外骨骼技术作为人体效能增强最可观的研究方向之一,具有非常庞大的社会需求,在军事运输、医疗救援以及民用日常等领域都能够发挥重要的作用。然而,传统的刚性外骨骼重量大、交互性差,导致穿戴效果不佳,且高额的售价使其难以满足市场需求。柔性外骨骼结构分为三个独立设计的部分,包括髋关节柔性固定器、膝关节柔性固定器以及踝关节柔性被动储能机构,髋关节和膝关节部分通过气动人工肌肉相互连接,踝关节部分通过凯夫拉线固定到小腿和脚部的连接点位置。气动人工肌肉在关节位置形成拮抗布置,通过力臂产生关节辅助力矩进行助力;柔性被动储能机构在下肢支撑相期间储存人体重力作用下踝关节所作负功,并在支撑相末期释放以辅助人体重心转移,在下肢摆动阶段该机构处于自由状态,不影响踝关节正常运动。基于菱形收缩的原理,提出了一种新型气动人工肌肉结构,并对该人工肌肉进行了静态和动态特性的实验研究。静态特性研究了气压、负载对人工肌肉性能的影响,并通过对照实验对人工肌肉的设计参数进行了优化;动态特性研究了在不同气压、不同张力下人工肌肉的保持性能,并测试了人工肌肉对正弦信号的跟踪响应特性,为其在柔性外骨骼中的应用提供了控制基础。然后,根据柔性外骨骼的设计结构建立了外骨骼运动学和动力学模型。运动学模型确定了人工肌肉长度、驱动力臂与关节角度、人工肌肉固定点位置之间的关系,并基于此对髋关节和膝关节处的人工肌肉固定点位置进行了优化;基于拉格朗日方程的动力学模型确定了各个关节在运动过程中所需的驱动力矩,为外骨骼控制奠定了理论基础。最后,完成了适用于本文柔性外骨骼的控制系统设计以及助力效果实验。根据控制系统的总体方案完成了硬件平台的各个模块设计,基于模糊PD的导纳控制器实现了力与位置的综合控制,并具有一定的运动意图识别功能。研制了柔性外骨骼实验样机,测试了髋关节和膝关节的关节运动曲线,并对足底力、人工肌肉输出拉力以及人机交互力信号进行了分析,通过下肢表面肌电信号以及呼吸耗氧量的采集与分析,得到了柔性下肢助力外骨骼具有一定的助力效果的结论。