外骨骼机器人的研究方向有两个主要分支:康复外骨骼和助力外骨骼。前者主要用于医学领域,在人机协同运动过程中,康复外骨骼为主动运动,人体为被动运动;后者是助行和助力机器人,主要穿戴在正常人体上,通过外骨骼机器人机械机构,把负载转移到地面上,从而实现助力。助力外骨骼机器人在与穿戴者人机协同运动时,人体为主动运动,外骨骼机器人为被动运动。本文主要研究的是下肢助力外骨骼机器人,外骨骼机器人的助力,不仅能够增强人类本体的耐力,提高运动速度,而且能够提高人体抵抗负载的能力。因此,研究外骨骼机器人的动态稳定特性,对实现人机协同、外骨骼机器人的助力效果有着重要的意义。基于以上分析,提出了单自由度驱动下肢外骨骼机器人机械本体设计方案,减少了驱动数量,简化了下肢外骨骼机器人本体结构。在不同的运动姿态下,参考CGA人体运动数据,定义了各关节自由度,给出了各个关节运动角度范围;分别采用D-H运动学分析方法和拉格朗日动力学分析方法,分析了人机系统多姿态动态运动特性,采用MATLAB和ADAMS分析软件,进行了运动仿真,得到了理论和仿真对比结果:在各姿态运动转换时,运动参数发生大的突变,从曲线轨迹上看,波动较明显,整体系统稳定性偏低。在零力矩点平衡理论的基础上,提出了基于ZMP双足投影多边形法稳定性判据,获得了单步运动过程中稳定多边形的变化规律,定性分析了人机系统多姿态稳定特性,基于ZMP双足投影多边形法稳定性判据的基础上,结合最短距离稳定裕度的稳定程度计算方法,提出了不稳定率,由不稳定率定义可知,稳定多边形内部的稳定程度以及出现的失稳形式不尽相同,因此,由稳定多边形的形心出发,分别连接稳定多边形的顶点,把稳定多边形分割成若干个三角形,在若干三角形内,分析了各姿态动态稳定特性,计算了各个姿态中的稳定程度。从重心COG出发,分析了其对人机系统多姿态动态稳定特性的影响。建立了重心COG与零力矩点ZMP空间坐标系和三维空间倒立摆模型,进行了受力分析,得到了重心COG与零力矩点ZMP的空间位置关系表达式;在零力矩点ZMP理论的基础上,建立了 Z向人机系统受力模型,得到了足底压力关于力学模型的关系式,推导出了零力矩点ZMP与足底压力COP之间的关系表达式;基于以上两点,提出了压力中心点-零力矩点-重心点算法,绘制了压力中心点-零力矩点-重心点算法流程图,得到了压力中心点COP与重心COG之间的关系。在多姿态运动环境下,具体分析了重心COG对各个姿态动态稳定特性影响。蹲起姿态中,建立了蹲起姿态倒立摆简化模型,采用动量和角动量概念,分析了重心COG与零力矩点ZMP关系;行走姿态中,建立了人机系统可伸缩倒立摆模型,从初始加速期、双腿支撑期、减速阶段和加速阶段四个阶段分析了矢状面内重心COG-零力矩点ZMP之间的关系,得到了重心COG位移、速度变化轨迹;上楼梯姿态中,建立了 6步上楼梯动作示意图,重点分析了中步阶段上楼梯过程,借助倒立摆模型及理论,建立了一种虚拟变高度倒立摆模型,定义了倒立摆Z向高度变化影响因子α、β,建立了重心COG在Z向5次多项式,并进行求解。搭建了多姿态运动试验平台,开展了多姿态运动稳定特性试验研究。通过足底压力传感器,采集了各个姿态运动过程中的足底压力,结合压力中心点-零力矩点-重心点算法,分析对比试验与理论结果,结果表明:在运动过程中,人机系统能够满足稳定特性要求,稳定程度在局部有逼近稳定边界的趋势,因此,需要进一步进行稳定控制策略的研究,加强人机系统的综合稳定程度。本文通过多姿态运动试验平台以及人体运动数据测量系统,获得了蹲起、行走和上楼梯三种姿态人机运动过程中重心变化轨迹,为验证双足投影多边形法及压力中心点-零力矩点-重心点算法的准确性提供了试验依据。通过试验与理论结果的对比验证了双足投影多边形法及压力中心点-零力矩点-重心点算法的正确性,为双足行走机器人稳定特性研究提供了新的思路和方法。