踝关节假肢是帮助膝下截肢患者恢复踝关节运动的一种替代型工具。随着经济的发展和人民生活水平的提高,截肢患者已不再满足传统踝关节假肢的基本行走功能。在当今假肢设计领域里,能够设计出实现行走更加贴近正常人的步态轨迹且更加舒适的假肢成为截肢患者的迫切需要。本文根据正常人体踝关节平地行走的各步态相位的特点,旨在设计出能够帮助残疾人恢复行走能力,像正常人一样生活、学习和工作的踝关节假肢,具有很重要的社会意义和学术价值。本文主要针对下几点展开研究:(1)人体踝关节生物力学特性研究。具体阐述了人体踝关节在平地行走的各步态相位特征,对踝关节各参数数据曲线进行了运动学分析和生物力学分析,得到了踝关节平地行走的基本特征、生物力学特性以及人体正常行走的踝关节扭矩特性曲线,具体分析了一个步态周期各相位阶段踝关节扭矩和角度之间的关系,为主被动假脚-踝关节系统的结构设计以及动力学仿真提供了依据。(2)假脚-踝关节系统的设计。根据正常人体平地上行走的扭矩特性曲线,提出了假脚-踝关节系统设计思想以及总体构型,对其中部分关键机构进行了数学建模和计算分析,并且对关键零件参数进行了计算验证,完成了一体化假脚-踝关节系统的结构设计,说明了一个步态周期中一体化假脚-踝关节系统基本工作原理,分析了各相位步态中的能量储存和释放过程,验证了前面提出的假脚-踝关节系统总体构型的设计思想。(3)假脚-踝关节系统的动力学仿真与优化。建立了假脚-踝关节系统的仿真模型,并运用ADAMS仿真软件进行了动力学分析和参数优化,得到了最佳的弹簧和扭簧刚度,弹簧两端位置以及电机扭簧联合驱动力矩等参数,根据能量分析结果对比,说明了假脚具有与人体踝关节相近的力学特性,而且还能实现能量的回收利用,能耗低,同时也验证了建模以及分析方法的正确性。最后,完成了控制系统软件编写和硬件搭建,制定了实验方案,通过机器人夹持假肢行走得到了实际踝关节角度曲线,对实验测得的假脚的踝关节角度曲线和理论的角度曲线进行对比分析。实验研究表明,使用的仿真方法是正确的,所设计的主被动混合驱动的假脚-踝关节系统是可行的。