随着世界范围的人口老龄化问题，医疗康复问题以及全球地质灾害频发等，各应用领域对外骨骼助力机器人的·研究都日趋迫切和深入。下肢外骨骼机器人是一种供人穿戴的人机一体化机械装置，通过机器人提供动力以增强人体机能，非常适合助老助残或辅助重体力劳动者的日常作业；还可以作为一个子系统被应用于多个领域，如地质救援系统、单兵作战系统、极地科考系统等。我国是世界上地质灾害最严重的国家之一，地震瞬间破坏的桥梁、道路、建筑物等，严重阻碍了救援仪器和物资的运输。研制一种复杂路面环境下，辅助救援人员背负相关设备长途行走的可穿戴式下肢外骨骼，具有重要的研究价值和现实意义。目前国内外虽然已存在下肢外骨骼机器人样机，但具有大负载能力，能够适应野外复杂地形的研究成果相对较少；相应的机器人设计方法、人机交互方法及人机协调运动控制方法等，还有待更深入的研究。为了设计出能够与人体下肢运动相协调的外骨骼构架，首先结合具体的功能需求，确立了人机运动学同构的拟人化设计理念。通过人体下肢生理学结构及行走机制分析，结合相关CGA数据，初步确定了拟人化的下肢主力外骨骼机器人的关节转动范围 ，在此基础上，多种下肢外骨骼机器人的拟人化构型设计方案，通过对比分析选择了相对较优的设计方案，为下一步的外骨骼机器人的结构设计奠定基础。在仿生构型设计的基础上，分别针对“准拟人化”和“完全拟人化”俩种相对较优的方案进行具体的结构设计，综合比较最终选择了重量更轻、包络尺寸更加紧凑的“准拟人化”外骨骼结构。设计的外骨骼样机总重43kg，其中电源模块4.5kg。折叠后的包络尺寸为86.5*50*36.5cm，可以更方便的放入拉箱内。机器人结构本体包括躯干部分、大小腿部分，以及具有多种传感检测功能的外骨骼传感靴。其中，在后背和脚底设计有六维力传感器进行人机交互力检测。对于髋、膝关节主动驱动单元的设计，采用模块化的设计方法，并具有较大的输出扭矩，以满足大负载下的助力需求。机器人的电气系统包括分层的控制硬件体系结构，以及通信系统和能源系统。下肢助力外骨骼机器人具有时变的拓扑几何结构，并且含有大量的被动多余关节，给机器人的运动学和动力学分析带来极大挑战。我们总结人体下肢运动的特点，对其进行合理的简化，建立了能够表征下肢行走运动特点的矢状面双腿支持相、额状面单腿支撑相、以及外骨骼双腿腾空相共5种基本运动学形态，分别建立了相应的拉格朗日动力学方程，并进行了外骨骼不同运动构型判断准则的设计，以及相互之间过度触发机制的制定，为机器人的运动控制研究奠定基础。 针对复杂地形中人体下肢运动的姿态多样性和随意性的特点，通过对外骨骼后背和脚底的人机交互力信息，以及关节角度、姿态、触地状态等信息进行综合处理，进行人体下肢运动趋势的辨识。采用基于人机后背和脚底交互力反馈的外骨骼直接力控制方法，进行运动学末端的零力跟踪控制，实现了外骨骼负重条件下稳定连续的助力行走。从穿戴者的主观感受和一些客观的评价指标出发，建立多元化的评价体系，对外骨骼机器人的实际助力效果进行综合评价。

首先，通过外骨骼的自主穿戴/脱卸测试、不同路面环境行走测试，以及复杂动作下的外骨骼协调运动能力测试，验证 HIT-LEX 下肢助力外骨骼的穿戴舒适性和环境适应性；通过与人体自然行走步态的对比，分析穿戴下肢助力外骨骼后对人体行走步态的影响。

其次，客观评价指标方面，进行了最大有效负载测试、人体实际负重感测试，以及外骨骼的自身能耗及续航能力测试。结果表明，外骨骼施加到人体后背的力远小于背部负载的重力，说明外骨骼具有良好的助力效果；此外，外骨骼满足最大负载 50kg、最大速度 5km/h、续航距离 5km、续航时间 2h 等设计指标。