近年来,衰老、疾病、竞技体育、车祸、自然灾害及日常运动造成的下肢运动功能障碍患者数量呈逐年增加趋势。助力助行及康复训练下肢外骨骼机器人可以提高患者运动能力、保证患者生存质量、减轻患者经济压力及缓解医疗资源紧张,具有广泛的工程应用需求。国内外先进科研机构对下肢外骨骼机器人的研究已取得一些成果,但外骨骼机器人在结构轻量化、低能耗、驱动技术、传感器技术、协调控制及效果评价等方面的研究难点限制了下肢外骨骼机器人的工程应用。本文根据上述研究背景,结合人体下肢运动机理与被动双足行走理论的优点,研制了一款套索驱动半被动下肢助力外骨骼,主要用于下肢运动力量不足的老弱患者的助力助行及康复训练,论文主要研究内容如下:基于人体解剖学、运动学及测量学,分析了人体下肢关节运动特性、步行周期特性及足部运动状态的相关性,提出整个行走周期包含五种基本行走模式,为通过足底力判断单腿所处相位和后续动力学模型的分析与简化提供了理论依据;对揭示被动双足行走理论的无边轮辐模型与最简双足行走模型进行了研究分析,采用庞加莱回归映射方法对模型运动极限环的存在及其影响因素进行了研究,从模型自身参数配置、重力作用、步态转换及能量补偿类型等角度描述了被动双足行走理论的低能耗特性,对设计更加符合人体运动机理及自由度设置、低能耗关节驱动方式及质量合理分布的半被动下肢外骨骼具有指导作用。研制出套索驱动半被动下肢助力外骨骼样机,从机构本体到控制系统硬件设计均遵循机构自身动力学特性、减少主动驱动自由度、增加被动柔顺驱动自由度及减少传感器使用数量的原则。采用电机-双套索传动系统驱动外骨骼主动髋关节,实现关节驱动电机外置及远端柔顺驱动,并通过控制关节电机力矩输出实现外骨骼助力助行目的;采用弹簧与板簧等弹性元件进行被动柔顺关节的设计,实现机构重心的调整及顺应运动趋势的能量存储和释放功能,减少整机能耗及提高整机性能;沿大腿杆的冲量模块作为人机主动作出蹬地-跖屈-屈膝-大腿前屈动作的触发信号,调动穿戴者的主观能动性来更快的完成步态转换及实现肢体力量的增强训练;对具有柔顺传动特性的单套索和双套索传动系统进行了力位传递特性建模分析及实验验证,分析了系统初始预紧力、全曲率、滚轮半径及摩擦系数对套索传动系统摩擦力矩及传动效率的影响,为补偿传动系统摩擦力矩进行了系统内部阻抗力矩参数辨识实验;传感器系统采用正交编码器、足底力测量传感器、人机交互力测量传感器及表面肌电信号测量传感器,用于识别人体运动意图与外骨骼运动状态及评价外骨骼助力效果。建立外骨骼单腿模型正运动学方程,对外骨骼关节变量进行操作空间与工作空间分析,分别通过几何法和蒙特卡洛法求解外骨骼工作空间。对外骨骼正运动学方程进行逆向运动学求解,并对雅克比矩阵、运动冗余性及运动奇异性进行了分析。针对下肢助力外骨骼行走步态周期内单腿支撑前期与双腿支撑后期两种主要行走模式进行动力学建模分析,得出拉格朗日动力学方程并求解出各关节力矩关系表达式。建立人机外骨骼系统动力学模型,明确系统关节驱动力矩影响因素,对制定人机外骨骼系统助力控制策略具有指导作用。对人机外骨骼系统控制策略进行了分析,采用基于模型的力矩计算为核心的分层递阶智能控制方法对外骨骼主动关节进行助力控制。首先,通过感知层的传感器系统判定外骨骼关节运动状态及穿戴者运动意图;其次,将感知层信息传递至决策层,分别计算外骨骼关节惯性输出力矩、人机交互控制力矩、单腿重力补偿力矩及系统内部阻抗力矩,判断冲量模块释放与否,并对上述力矩进一步运算得出电机理想输出力矩;最后,将电机理想输出力矩计算值及冲量模块释放指令送入执行层,通过伺服驱动电机实现外骨骼主动髋关节输出力矩控制及冲量模块控制。为验证人机外骨骼系统控制策略的有效性,分别进行了受试者穿戴外骨骼助力行走实验及外骨骼助力效果评价实验。