随着载人航天技术和深空探测技术的发展,未来航天员在月球、火星等地外星体表面开展资源勘探、基地建设和科学实验等出舱活动将是载人空间探测的重要组成部分。充压航天服为航天员出舱活动提供生命安全保障的同时,由于关节阻力矩的存在,将增加航天员的工作负荷、降低其工作效率。因此,航天服活动性是航天服设计时需要考虑的重要因素之一。前期航天服设计中主要针对航天服上肢关节系统的活动性能展开,对航天服下肢系统活动性的关注度较少。未来地外星体表面长时间、远距离出舱活动将要求航天服下肢系统具有足够的活动性能。本文主要围绕舱外航天服-航天员下肢系统的动力学问题展开研究,旨在为设计关节和改善航天服活动性提供参考。首先,本文针对人体步态行走,结合人体生理结构,配置了具有步态行走能力的航天服下肢关节活动自由度。考虑到星表探测过程中肢体动作的多样性,进而优化配置下肢关节系统为12个自由度。根据配置的关节自由度,开展了航天服下肢各关节概念模型设计,为航天服下肢关节系统的设计与性能分析奠定基础。其次,在建立舱外航天服-航天员下肢系统物理模型的基础上,本文采用D-H(Denavit-Hartenberg)参数法对下肢系统进行了正逆运动学分析,给出了下肢系统单腿关节转角的逆解求解方法,并进行实例验证。接着,基于建立的物理模型,采用拉格朗日方程方法对未着服航天员下肢系统进行动力学分析,计算下肢各关节的力矩信息。同时,以美国舱外航天服为例,考虑航天服质量、惯量及具有迟滞性的充压航天服关节阻力矩,建立着服航天员下肢系统的动力学模型,分析航天服对航天员步态行走过程中关节力矩的影响。最后,在ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)仿真平台上,建立未着服和着服航天员下肢系统3D模型,进行相应的动力学仿真分析,得到下肢各关节处的关节力矩。仿真结果与理论分析结果基本一致,验证了理论模型的准确性。在一个步态周期内,着服较未着服时航天员髋关节、膝关节及踝关节所做的功分别增加了205%、134%和95%,验证了充压航天服对航天员各个关节活动性的影响。