外骨骼式下肢助行机器人的步态轨迹是当今研究的热点问题,稳定合理的步态运动是外骨骼有效辅助人体的基本保障。针对外骨骼式下肢助行系统的步态轨迹问题,基于零力矩点(ZMP)理论,采用五点规划法将人体步态划分为5个特殊姿态点,并求解相应的位置和角度坐标。利用MATLAB平台的三次样条插值函数模块,求解这些特殊点的三次样条曲线,仿真出髋关节和踝关节的轨迹曲线。最后根据ZMP动态轨迹方程,求解外骨骼系统的ZMP曲线,结果表明步态轨迹连续光滑,与理想的重心轨迹方向一致,符合外骨骼系统的轨迹路径要求。

外骨骼助行机器人具有非线性和强耦合性特征,控制策略设计是下肢外骨骼助行机器人试验样机设计的关键。针对传统线性PD控制存在外骨骼助行机器人动力系统稳定性不高的问题,采用一种自适应鲁棒PD控制策略对下肢外骨骼助行机器人进行控制设计。基于逆动力学方法建立外骨骼二自由度连杆机构动力学方程,基于MATLAB/Simulink平台分析下肢外骨骼助行机器人动力学模型的稳定性,结果表明,在外部信号扰动下系统模型的响应时间短,关节位置跟踪误差能快速趋于0,验证了自适应鲁棒PD控制策略控制外骨骼助行机器人具有良好的稳定性。仿真获得了髋、膝关节的力矩曲线,髋、膝关节的力矩均小于100 Nm,为下肢外骨骼的结构与驱动优化设计提供数据支持。

精密钢球行星减速机构是一种高效节能的摆线类传动形式,设计一种二级摆线钢球减速机构,其利用减速钢球作为传动介质,在外摆线槽和内摆线槽构成的循环滚道中进行无间隙啮合传动,分析摆线减速机构的传动原理,对不同类型的减速机构的传动比进行计算。利用动力学仿真软件ADAMS平台,做二级摆线减速机构的运动学模拟仿真,得到运动过程中行星盘和摆线盘的角速度和角加速度曲线,验证分析减速机构的运动平稳性和传动合理性,为二级摆线减速机构的结构优化设计和减速比设计提供理论依据。

针对人体下肢外骨骼机器人,将其简化为七杆机构,并将人体行走模式划分为单脚支撑模式和双脚支撑模式,然后运用牛顿-欧拉方法分别对两种行走模式进行动力学建模,研究表明,牛顿-欧拉方法在解决多刚体并联机构的动力学问题中,既可以计算各关节的力矩还可以求解杆件的空间受力,计算简便高效,最后,在ADAMS环境下进行动力学仿真,求解出髋关节和膝关节力矩与运动周期的曲线关系,同时在MATLAB中进行理论计算作为对比,结果表明理论计算和仿真结果曲线存在一定的偏差,但基本一致。