近些年我国老年人人口逐年递增,未来人口老龄化趋势将不断加剧。老年人生活幸福感值得各行各业关注,与提高其生活质量相关的助老产品逐渐受到重视。辅助下肢力量薄弱的老年人行走、增加老年人在行走过程中的安全性、增强老年人下肢的运动能力是近年来助老机器人领域的热门方向,但目前大多数助老机器人功能较单一且价格较高,因此功能多样、成本低廉的助老机器人对提高助老机器人使用率,提升老年人的生活质量具有重要的现实意义。变胞机构能够根据工况的不同,通过机构本身的限位结构及杆件的特殊尺寸改变其拓扑结构,在不同的工作环境下发挥作用,满足多种任务需求。因此将变胞机构的原理运用到助老领域,开展变胞式助老机器人设计及相关研究工作,符合当前助老行业实际需求,社会效益明显。本文首先分析了国内外变胞机器人和外骨骼装置的研究现状,掌握了当前国内外助老机器人研究的不足和发展趋势。随后,分析了成年人的腿部构造和步行时腿部特征的变化规律,明确了老年人步行所必须的自由度。结合图论知识及运动链综合,根据功能要求、配置条件和约束条件选择最佳配置,设计出了能灵活实现走姿、坐姿和蹲姿三种不同构态的变胞式下肢外骨骼助老机器人的构型,并提出了外骨骼机器人的总体设计方案,且详细对比了各设计方案的优劣,优选了最合理的设计方案。根据D-H参数法和解析法对模型的走姿构态进行了正逆运动学分析,得到了膝关节、踝关节和足尖的位移方程正逆解,对位移方程求导得到膝、踝和足尖的速度解和加速度解。利用Matlab得到髋关节、膝关节、踝关节一个步态周期的角度变化表达式,结合驱动关节角度变化和膝、踝及足尖运动学参数之间的关系进行运动学数值仿真。同时,采用ADAMS对变胞式下肢外骨骼助老机器人进行运动学仿真,验证Matlab运动学数值结果的有效性。仿真结果表明,在走姿构态时下肢关节运动学参数的变化符合人体的运动规律,运动学仿真为走姿的工作空间分析、关节限位结构的参数设计以及动力学分析奠定基础。接着,建立了变胞式下肢外骨骼助老机器人走姿构态时单腿支撑状态下的广义坐标系,推导得到每个杆件的质心位置和质心速度表达式,然后根据位置和速度方程求得每个杆件的动能及势能。利用Lagrange法建立了动力学方程,得到了髋膝两关节在支撑期所需力矩的表达式,髋、膝关节角度变化和主动关节力矩之间的关系可以为动力学数值仿真奠定基础,以及为控制系统及驱动系统的设计提供帮助。最后对外骨骼机器人的整个步态周期进行动力学虚拟仿真,首先将三维软件中创建的人机模型导入ADAMS,添加驱动函数、材料属性等参数并对杆件进行约束,建立人机耦合行走动力学模型。通过动力学虚拟仿真直观地揭示了外骨骼机器人的髋关节和踝关节在一个步态周期内主动关节的驱动力矩变化规律。确定了髋、膝关节力矩在一个步态周期中的取值范围,为后续的样机制作提供有力的理论支撑。