外骨骼机器人是智能机器人的典型代表之一,它可以实现人类智能与机器力量的结合,增强肌体的综合能力,缓解由于负重和长时间工作带来的疲劳。外骨骼机器人可以应用于提升士兵在携带更多物资弹药及作业设备后的运动速度与灵活性,也可以应用于工业、建筑业及抢险救灾等劳动强度较大且不便于机械化作业的场景中,提升穿戴者防止肌肉劳损和预防职业病的能力。下肢外骨骼机器人机构通过辅助装置与人体下肢并排连接,这需要下肢外骨骼机器人与穿戴者的下肢保持同步运动。由于膝关节的旋转轴线是变化的而单铰链副的膝关节外骨骼旋转轴线是固定的,造成了两者之间运动轨迹不能达到实时重合（也称为轴线错位）。轴线错位对穿戴下肢外骨骼有多方面的影响:一方面轴线错位的程度会随着运动速度的增加而增加,并导致两者运动协调性越差以及人机交互力就越大,甚至在绑缚装置的作用下就会使穿戴者面临安全风险;另一方面穿戴者和外骨骼机器人之间的轴线错位也会影响外骨骼的助力效率和穿戴舒适性。为此,本文基于平面四杆机构的连杆综合理论,提出一种可重构膝关节外骨骼结构设计方法,并对膝关节外骨骼的性能开展研究,主要研究内容如下:首先,提出了一种四杆机构连杆轨迹综合方法,以满足膝关节外骨骼设计可变轴线结构的高效要求,为设计基于可重构机构的膝关节外骨骼奠定理论基础。目前连杆轨迹综合的主要困难在于轨迹综合方程是九元八次的非线性方程组。通过研究轨迹综合方程的参数关系和非线性方程的消元,得到一个独立的四元三次非线性方程组,且不增减根,使得求解方程的难度降低,提高了方程的求解效率。在连杆轨迹综合理论方面还提出了一种时序路径的统一综合方法以及一种姿态点和路径点混合的综合方法。其次,基于功能组合原理提出了一种可重构综合方法,并利用该方法得到一种膝关节外骨骼结构。利用视觉跟踪系统记录三种运动速度的膝关节轨迹,分别对不同速度的膝关节运动轨迹的实验数据进行轨迹综合。针对每一种运动轨迹利用图谱法确定连杆参数分布范围,基于优化算法计算各参数的具体值并保留不同误差下的结果。建立不同结果对应参数组的轨迹综合方程,利用提出的解析法计算轨迹综合方程的全部解。方程全部解对应的是参数组的同源机构,这样就使得不同速度连杆参数的样本进行了扩充数量。基于图像法对实现不同速度下的连杆参数组进行组合和筛选,分析图像各参数的聚集情况得到可重构膝关节外骨骼的结构参数,实现对应不同速度四杆机构的组合。在刚性可重构结构的基础上,对机构中的固定铰链进行柔性单元的置换设计,以减小运动过程中的错位程度。最后,提出一种基于轴线错位计算的膝关节外骨骼机器人穿戴安全性和舒适性的分析方法。将膝关节外骨骼的自由度和膝关节外骨骼的活动角度作为具体分析参数,与人体膝关节的活动范围对比,证明了外骨骼结构的安全性;通过计算膝关节外骨骼与膝关节之间的轨迹误差得到不同速度下的平均错位距离为1.608mm。以人机交互力量化穿戴外骨骼结构本体后的舒适性,并通过沃伊特元件约束力公式计算人机交互力,结果表明可重构膝关节外骨骼比单铰链副的膝关节外骨骼的舒适性提高10.85倍。