外骨骼机器人是一种穿戴在人体上,辅助人体运动的机械装置。随着机器人技术的发展,外骨骼的结构越来越复杂,自由度越来越多,这使得动力学研究的难度急剧增大,因此急需一种高效的动力学计算方法。根据上述研究背景,本文针对多自由度下肢外骨骼机器人的建模和高效动力学计算展开了一系列探索性研究,主要包括下肢外骨骼机械系统的设计、下肢外骨骼运动学与动力学分析、浮动基座模型逆动力学算法的研究、下肢外骨骼运动学与动力学仿真分析等。对下肢外骨骼进行总体结构设计。对人体下肢生理结构和关节运动机理进行研究,得到人体下肢的尺寸数据和关节运动范围,在此基础上确定了下肢外骨骼的构件尺寸、关节自由度数和驱动方式,借助SolidWorks完成了下肢外骨骼的三维实体建模,使用有限元方法对关键结构进行了强度校核。对下肢外骨骼进行运动学分析与动力学建模。使用D-H法建立单侧下肢外骨骼的运动学模型,通过运动学求解,确定了足部装置的位姿与关节转角之间的关系,使用MATLAB对足部装置的运动轨迹进行计算,采用蒙特卡洛法对足部装置的工作空间进行分析,验证了运动学分析的正确性。采用牛顿-欧拉方程法建立了下肢外骨骼的浮动基座动力学模型,构造了下肢外骨骼的运动树,使用空间向量计算出运动树中的模型数据。对下肢外骨骼进行动力学计算。由于本文建立的是下肢外骨骼浮动基座动力学模型,导致固定基座模型逆动力学算法失效,因此将其改进为浮动基座模型逆动力学算法,并将运动树代入算法进行下肢外骨骼的动力学计算。通过浮动基座模型逆动力学算法,得到了下肢外骨骼在步态运动过程中各关节驱动力矩的大小。结合人体步态规律对计算结果进行分析,并将计算结果和CGA步态数据库中的关节力矩进行对比,验证了浮动基座模型逆动力学算法的正确性;将拉格朗日法、牛顿-欧拉法和浮动基座模型逆动力学算法的计算效率进行对比,验证了浮动基座模型逆动力学算法的高效性。最后,建立ADAMS下肢外骨骼虚拟样机模型,使用ADAMS对下肢外骨骼进行运动学与动力学仿真,分析外骨骼在运动过程中的角度、速度、力矩变化曲线,验证所建立的仿真模型的正确性和浮动基座模型逆动力学算法的正确性。