下肢被动外骨骼在降低人体行走代谢能消耗、增强行走耐力方面具有潜在优势,研发实用的外骨骼装置具有重要的科学意义和迫切的现实需求。本论文借鉴人体生物肌腱组织独特的能量高效转化特性,开展弹性外肌腱辅助下的人体髋关节肌肉肌腱生物力学建模与仿真研究,揭示外肌腱作用下的人体下肢肌骨系统生物力学行为与能量转化规律,并据此开发了可降低行走代谢能消耗的髋关节被动外骨骼装置。论文研究成果为减小人体行走代谢能消耗的外骨骼设计提供了创新性的解决方案,为用工程科学的方法增强人体运动能力提供了支撑。主要研究工作包括:(1)弹性外肌腱的提出与嵌入原理。结合人体生物肌腱的储能、释能特性及其对代谢能的影响机理,研究了人体生物肌腱的功能仿生设计原理,提出了在关节负功拉伸储能、正功收缩释能的弹性外肌腱嵌入方法。结合行走过程中髋关节关节功率及肌电变化特征,确定了弹性外肌腱驱动的髋关节被动外骨骼设计方案。(2)髋关节肌骨模型构建方法。以Hill三元素肌肉模型为基础,结合关节几何学与人体解剖学理论,以肌肉力-肌肉长度-肌肉收缩速度之间的特征关系为约束,通过最小化模型输出力矩与人体关节生物力矩之间的差异来优化模型参数,建立了可复现人体下肢髋关节自然行走特性的简化肌肉骨骼生物力学模型,为后续仿真分析提供了基础。(3)肌肉-肌腱-外肌腱一体化仿真分析。以最小化肌肉总代谢能为目的,利用逆向方法对不同刚度外肌腱辅助下的髋关节肌肉-肌腱动力学、能量学特性进行优化求解,研究了外肌腱辅助对各肌肉的肌肉力、肌肉激活、做功、代谢能消耗水平的影响规律,为外骨骼装置提供了理论支撑与设计依据。(4)外骨骼样机开发与实验验证。依据仿真结果,开发了髋关节被动外骨骼装置样机,开展了自然步态下的外骨骼穿戴行走实验,通过肌电信号及代谢能消耗测试评估了该装置对人体的辅助效果,对本文的建模理论进行了验证。