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随着科技的不断发展，机器人技术已取得了巨大进步，但是，目前的人工控制算法控制机器人动作的能力，还远远落后于人类通过自然进化拥有的对自身行为控制的能力，并且机器人的动作灵敏性与反应速度也不如人类，但机器人也有自身的优点，它能够比人类承担更多的负载且能长期作业。本课题研究的下肢助力外骨骼，则结合了人与机器人的优点，把人与机器人组合在一个系统里，充分发挥人的动作导向能力与机器人承担负载的能力。此下肢助力外骨骼机构能被穿戴者穿在身上，并时刻保持与穿戴者一致的行走动作，像人体的外骨骼一样代替人体承担外部负载，从而达到行走助力的目的。为了缓解大负重、长距离行走引起的下肢伤痛问题；人口老龄化日益加剧带来的社会问题；及由于交通、地震灾害等引起的下肢伤残等问题；故对此种人机一体化的下肢助力外骨骼系统进行研究具有重要的意义，且将具有广泛的应用前景。
全文贯穿了理论分析和技术实现两个基本问题，涉及多个研究领域，主要内容如下：
1．基于人体测量学理论，进行了人体行走运动学的研究。搭建人体运动图像采集分析系统。运动图像采集系统由分布在四周的高速摄像机及粘贴在测试者关节部位的发光标记点组成。通过对相机标定、标记点的捕捉、识别及标记点的三维重建，获得行走过程中人体关键部位处的标记点空间坐标值，进而求解出行走过程中下肢关节角度变化、下肢各部分的质心轨迹等运动学信息。进行不同行走条件下的人体运动实验，对其运动学实验结果进行分析。
2．建立人体下肢动力学模型，结合人体行走运动学研究结果及足底力测量系统检测出的足底力、力矩信息，求解出人体下肢各关节在行走过程中的关节力矩及功率。编制的步态分析系统软件，实现了人体行走运动棍棒图的再现，并输出行走过程中下肢各关节的动力学信息。结合搭建的实验平台，进行了不同行走条件下人体运动实验，并对其动力学实验结果进行分析，为下肢助力外骨骼设计提供了理论基础。
3．基于人体行走运动学及动力学研究结果，进行下肢助力外骨骼的仿生机构设计。人体行走运动矢状面内的髋关节平均功率为正值，表明髋关节需要进行主动驱动，故设计的外骨骼样机髋关节采用电机带动丝杠螺母进行驱动；膝关节在平地行走过程中的平均功率为负值，则主要起被动作用，故设计的样机膝关节为一被动关节；踝关节在行走过程中有正功、负功，且在平地、慢速行走条件下，正负功基本相等，故设计的样机踝关节采用弹簧进行驱动；著制作了实物样机试验系统。针对已设计研制出的样机存在的问题，提出了改进方案，给出了改进后下肢助力外骨骼各关节三维造型图。
4．针对下肢助力外骨骼行走步态周期内的三种行走模式，即单脚支撑（一脚为全脚掌着地、另一脚摆动）、双脚支撑(两脚均为全足掌着地）、一脚虚触地的单脚支撑（一脚为全脚掌着地，而另一脚非全脚掌着地，如脚跟着地、脚尖蹬离地面时刻），分别采用拉格朗日法进行动力学建模分析，求出行走过程中下肢各关节力矩表达式。为了验证动力学理论分析的正确性，采用ADAMS仿真软件进行下肢助力外骨骼的动力学仿真，仿真分析结果表明了关节力矩理论输出结果与仿真输出结果基本一致。不同行走模式下的下肢助力外骨骼动力学分析为控制系统提供重要的理论基础。
5．分析了下肢助力外骨骼控制系统中人（穿戴者）、机（下肢外骨骼）运动意图的识别方法，根据人、机运动状态识别结果，判断出下肢助力外骨骼所处的行走模式阶段。提出了基于行走模式的计算力矩算法为核心并结合人体步态预测对下肢助力外骨骼扭矩输出进行控制的控制策略。对下肢助力外骨骼进行联合仿真，验证控制策略的可行性。针对研制出的样机髋关节进行了预设轨迹摆动实验，并对实验结果进行了分析。