近些年来,关于外骨骼助力机器人的研究与应用越来越广泛和深入。除了应用于医疗领域的康复型外骨骼外,越来越多的外骨骼研究团队研究应用于正常个体的外骨骼,以减小用户完成某项活动所需要的能量。本文以踝关节外骨骼为研究对象,主要研究包括踝关节生物力学仿真框架搭建与应用,踝关节有源外骨骼能源消耗建模及踝关节外骨骼的设计。首先,搭建一个基于双Hill肌肉模型的踝关节“外骨骼—人体”生物力学仿真框架,通过仿真人体踝关节肌肉肌腱的形态学和能量学,研究外骨骼如何减少人体代谢能。对一款无源线性外骨骼进行仿真,从而对该生物力学仿真框架进行评估,并将评估结果与一个基于单Hill肌肉模型的踝关节“外骨骼—人体”生物力学仿真框架的仿真结果进行对比,仿真结果有了一定的改进,无源线性外骨骼理论最优刚度与实验最优刚度偏差为3.3%,代谢能下降比例与实验结果相同,改善的原因是双Hill肌肉模型能更好地体现肌肉的强弱及辅助力条件下肌肉效率的变化。其次,通过遗传算法和生物力学仿真框架,探究有源外骨骼在降低人体行走代谢能上的潜力,发现与外骨骼施加比例肌肉力矩相比,通过遗传算法得到的最优外骨骼力矩具备在“做负功时小于比例肌肉力矩”和“力矩峰值相位后置”的特点;这是因为在外骨骼进行辅助时,肌肉长度和速度所导致的肌肉力生成的难易程度以及完成相同肌肉激活程度时肌肉所需代谢能发生了变化。再次,探究弹性元素和外骨骼电机配置位置对有源外骨骼能耗的影响,仿真发现外骨骼的节能原理与人体肌肉的节能原理可以相互印证,是否使用弹性元素取决于外骨骼力矩与电机输出端位移的相似度。通过对外骨骼电机配置位置的仿真,发现引入附加位移的外骨骼在能量消耗与节能比例上均差于无附加位移的外骨骼。最后,根据前面章节的仿真结论,搭建了一款踝关节外骨骼,用以研究具备寻优力矩特征的外骨骼辅助力矩在减少代谢能上的潜力,所搭建的外骨骼在步态识别上可以避免外骨骼辅助力的干扰,其辅助力实现较好,通过心肺功能呼吸仪测得总代谢收益为4.16%,初步验证了通过遗传算法所得的特征力矩具备一定的降低代谢成本的潜力。