下肢膝关节外骨骼机器人作为一种可穿戴的人-机并联机械装置,将外骨骼的助力能力与人的智力巧妙地融合在一起,在助老助残及运动康复等领域具有广泛的市场前景。本文以现有膝关节外骨骼装置的不足为出发点,并以下肢膝关节外骨骼研究原型为基础,基于人体下肢运动机理及人体下肢参数的研究,针对下肢膝关节外骨骼机器人自身可穿戴的特点,开展了相应的研究:首先,基于人体下肢运动机理的分析研究,提出了一款下肢膝关节外骨骼仿生研究原型;基于D-H法对膝关节外骨骼整体系统搭建了数学模型,并在MATLAB 9.0软件平台及UG NX 12.0虚拟样机软件平台进行了运动学仿真分析,从而验证了数学模型构建的正确性与有效性;进而基于运动学的基础上开展系统动力学分析,利用拉格朗日方程法建立了系统动力学方程,计算出各杆件质心的坐标、速度、动能及势能,并求解出关节所需的驱动力矩,为后续系统动力学分析奠定了理论基础。其次,依据人体下肢行走时具有摆动相与承载相的运动承载特征,基于下肢膝关节外骨骼仿生研究原型,进一步提出具有运动包容性与承载有效性的膝关节外骨骼欠驱动五杆机构仿生系统;进而建立在源自系统运动学模型的速度雅可比矩阵基础上,对机构的奇异位形、可操作度及全域性能指标进行了计算分析,并提出一种评价该仿生机构的全局性工作空间包容灵巧度的新型综合评价指标,以此为优化目标,在MATLAB 9.0平台上,开展系统结构参数运动学数值优化仿真,结合UG NX 12.0虚拟样机仿真平台进行仿真结果数据比对,通过误差分析验证运动学分析的正确性与有效性,进而通过数据深入分析表明,该优化后的仿生机构相对人体膝关节运动空间而言,具有良好的仿生灵巧包容性,亦表明基于新型综合评价指标下的结构参数优化方法的有效性。最后,基于ANSYS Workbench 17.0软件平台,对仿生机构开展多体动力学仿真研究,建立在相关文献研究的基础上,给出初始弹簧刚度与阻尼系数,进而通过改变外骨骼中支撑弹簧的刚度阻尼系数来对比外骨骼承重能力的变化,发现其具有良好的承载能力,验证了该仿生机构研究原型结构设计的合理性与承载有效性,为后续外骨骼的详细设计提供了数据参考。