外骨骼作为一种拓展人类身体功能和性能的器械,能广泛应用于运动辅助,医疗康复和工业生产等领域,其中使用外骨骼辅助人体走跑等出行运动一直是相关研究的重点之一。本文以辅助健康人群的步行运动为目标,针对下肢踝关节,按柔性外骨骼的技术路线分别设计了主动和被动外骨骼,研究其辅助力矩对踝关节步行运动的辅助效果。首先,根据与步行相关的人体下肢生物力学理论,建立了一个基于双Hill三要素模型的“人—外骨骼”踝关节生物力学模型,该模型可以计算在不同外骨骼辅助力矩作用下踝关节的代谢能量消耗,评估外骨骼的辅助效果。利用遗传算法从该模型中寻优解出最优的外骨骼辅助力矩样式,并与常用的比例力矩样式作仿真对比,前者表现出更好的降低代谢消耗的能力;进一步结合仿真数据,分析了最优力矩辅助效果更好的背后机理。其次,确定人机接合面、穿戴结构和弹性体的设计要点,搭建了一套踝关节柔性被动外骨骼样机,创新地引入大腿肌肉群作为弹性体实现踝关节的动能回收,使样机轻便似普通运动裤,改善了外骨骼的日常穿戴性。进一步设计实验测定了样机在不同预紧度下的辅助力性质以及几何性质,并结合模型评估了样机的辅助效果。设计了受试者的步行实验,通过心肺功能呼吸仪测得低预紧度的样机能减少受试者2.72%的净代谢率,能实现对步行运动的辅助。最后,基于被动外骨骼样机的穿戴结构设计并搭建了一套踝关节柔性主动外骨骼样机,其通过控制电机牵引鲍登线的方式将主动的辅助力传递到踝关节形成设定的辅助力矩。设计内容除了机电硬件以外,还包括外骨骼上层控制和下层控制。在上层控制中,基于自适应Hopf振荡器设计了步态识别算法,能实时精确地识别当前步态周期进度,并按辅助力矩样式制定目标辅助力交付下层控制;在下层控制中使用力反馈的PD控制器执行目标辅助力,其控制器的参数整定基于高斯过程算法,并结合上位机通讯实现了人机在环的自动整定过程。设计了步行实验,对比受试者在穿戴两种辅助力矩样式的样机时的净代谢消耗,测得应用比例力矩时比样机关机时的净代谢消耗下降了2.35%,而应用最优力矩时下降更多为3.24%。实验结果验证了踝关节生物力学模型的仿真对比结果,也验证了样机的辅助效果。