随着近年来我国农业现代化步伐的加快,很多地区由于各种因素未能大规模地普及和实现机械化,而在这些地区中尤其是对于不具备大规模机械化管理条件的经济作物,存在劳动效率低,劳动强度大,工作时间长,其田间管理与采收过程中劳动者下肢更容易疲劳等特点。因此,若能将机器人技术应用于农业领域的田间管理与采收,研究出相应的下肢助力外骨骼,则能大大减轻劳动强度,提高劳动效率,非常有效地延长工作时间,减少劳动力数量,节省人力成本,创造更多经济价值,进而加快我国的农业现代化的步伐。本文针对人体步态运动的特点,本文设计了一个可实现下肢外骨骼的仿生学关节外骨骼化、穿戴方便及运动灵活等特点的下肢外骨骼机构,为田间劳动者提供了一种新的劳作途径。本文首先国内外关于下肢外骨骼机器人方面的研究背景、现状以及未来的发展方向,阐述了下肢外骨骼机器人的研究意义、目的。通过对于人体下肢的生理特征、步态行走特征、驱动方式以及人体自由度、运动学分析、单足支撑时期的动力学分析,设计一个下肢外骨骼机构,针对此机构的髋关节、膝关节、踝关节及足部等主要部位进行了详尽的设计说明,进而对该机构进行自由度分析。接着介绍螺旋理论及其基本定义、奇异位形等基础知识,并在此基础上,针对该设计机构,简化机构模型建立静态平衡方程,对其进行雅克比矩阵分析求出奇异位形,分析其瞬时运动,并推出其失稳条件和奇异位形的位置。然后基于对FZMP和支撑多边形定义、工作空间定义以及优化方法基础知识的简单介绍,确定支撑多边形的位置,然后根据旋转边界判定静态位置。并将此作为恢复稳定所采取的主动控制策略,以适应保持稳定状态的要求。然后,基于以工作空间面积最大为目标函数基于约束条件,建立其运动空间的面积函数,并将此作为目标函数进行优化。继而利用MATLAB对工作运动空间最大面积进行求解,并得到其运动的最大工作范围。最后,通过设置两组外骨骼运动起始点,利用MATLAB模拟仿真了此设计机构的作业空间,通过边界搜索法确定工作空间边界及面积,最后给出关节角度和各电动机长度变化值,试验证明了失稳判断的方法和控制策略的可行性。为以后的下肢外骨骼控制系统的研究提供了理论依据和技术支持。