下肢被动式外骨骼因其轻量、便携、稳定性高等特点,在增强人体行走能力、减轻步态中某一区间负担具有潜在优势。人体在下楼时相比于其他步态,下肢膝关节表现出更大的弯曲角度、伸展力矩和更多的负功区间等特征。。本文以下楼为特殊场景,分别以线性储能元件与非线性储能元件为研究对象,为被动式类弹簧膝关节外骨骼提供一套全新性的设计解决方案。具体研究工作包括:类弹簧被动式膝关节外骨骼助力模型的建立。通过已发表的相关步态和生物力学相关的文献,总结得到日常步态中膝关节运动学特征、膝关节解剖学特征、体内运动学、肌肉生物力学模型。根据外骨骼设计原则和正常年轻人下楼膝关节步态,建立并联布置和作用角度布置这两种类弹簧布置形式的作用机理;,确定了类弹簧机构的膝关节被动式外骨骼设计方案,最终建立了基于下楼场景的类弹簧被动式膝关节外骨骼助力模型。线性被动式膝关节外骨骼下楼辅助设计研究。根据线性储能元件特性,采用作用角度布置方式,进一步对助力原理进行仿真验证。考虑人机适应性,对具体外骨骼布置设计进行具体讨论,并进行双铰链设计以适应膝关节的内外翻。对不同的作用角度和刚度进行分别讨论仿真最终得到了线性被动式外骨骼最优作用角度和储能元件刚度的参数,提出平面涡卷弹簧作为类弹簧储能元件实现线性类弹簧机构对膝关节能量储存与释放的作用,通过有限元仿真对设计参数进行刚度曲线验证,最终设计并研发出线性被动式膝关节外骨骼样机。非线性类弹簧膝关节外骨骼机构设计研究。将线性类弹簧储能元件刚度矩阵扩展至n阶,以峰值膝关节伸展力矩、峰值膝关节负功率和膝关节正功率为优化目标,类弹簧机构力矩的方向为约束条件,最终得到不同权重下非线性类弹簧机构1～6阶优化刚度矩阵,并对不同权重进行统计学分析,最终得出最优权重。最优权重优化结果表明,刚度矩阵在3阶以上效果基本趋于稳定。采用凸轮和弹簧机构以设计优化出的刚度矩阵机构,结果表明,该设计机构与5阶刚度矩阵基本吻合,最终设计并研发出非线性类弹簧机构样机。实验测试评价系统的搭建与外骨骼样机的验证。搭建了以干式肌肉电和惯性测量单元为传感系统的测试评价系统样机。通过线性外骨骼样机测试踝、膝关节角度数据评价步态一致性,测试结果表明,穿戴膝关节外骨骼与未穿戴并未出现踝、膝关节角度的显著性差异。通过肌电信号对线性外骨骼样机对人体下楼过程中辅助效果进行评估,选取人体下肢股直肌和股二头肌分别为典型的膝伸肌和膝屈肌作为测试对象,测试结果表明,该线性外骨骼样机可减少股直肌平均归一化激活度6.12～13.54%。搭建机构运行刚度测试实验台对非线性类弹簧机构刚度曲线进行验证,测试了非线性类弹簧机构样机在0～95°的扭矩,加载和卸载采样点结果显示该机构刚度曲线与优化结果趋势基本一致。