修复和增强人体运动能力是研究外骨骼机器人的主要目标。外骨骼与人体运动的协调程度是影响穿戴舒适感、负重能力、运动灵活性、代谢能消耗乃至人体运动康复效果等人机耦合作用的关键因素;不良的人机耦合协调性将导致运动干涉甚至损伤人体。当前,外骨骼系统往往从传统的机器人理论出发进行设计与控制;由于缺乏对人体肌骨系统可变形、可储能、顺应性等特性的认识,其刚性的设计无可避免对穿戴者的运动带来干涉,导致其无法实现预期的功能。针对这些问题,本文以人体下肢肌肉(股四头肌肌群)作为研究对象,建立了下肢肌肉力学模型,旨在通过捕捉运动过程中的肌肉力学特性,为设计人机协调的外骨骼机器人提供新思路和新方法。本文的主要研究内容包括:骨骼肌肉是肢体关节的运动约束和动力来源,本文通过研究膝关节运动反演骨骼肌肉力学模型。参考人体肌肉生理解剖学与Hill肌肉模型,本文建立了股四头肌肌群力学模型;并以下肢运动作为载体、膝关节的转角为变量构建下肢运动的动力学集中参数模型;结合人体测量学、膝关节解剖学以及数字图像处理等手段,完成常量参数的确定。针对股四头肌群等效质量、等效刚度、等效阻尼参数的分析与求解,本文基于下肢动力学模型设计了阶跃响应实验。对比不同负载下下肢自由释放过程中膝关节角度的动态响应,验证所建立模型的可行性和准确性。将对系统非线性的数值仿真与实验相结合,完成集中参数系统的归一化刚度、阻尼的辨识,进而反算四头肌群力学模型参数。本文提出了肌肉能耗的评估计算方法并实现了肌肉神经响应迟滞的评估。通过设计直线行走实验,本文将能耗评估方法计算的能耗与肌肉代谢消耗的肌氧饱和度的进行对比,验证了方法的合理性;并通过设计下肢脉冲响应实验,分析了神经激励与肌肉力生成之间的延迟特性,并量化估计其数值。