机械外骨骼是一种能够与人体自身运动协调配合的复杂机械系统。从人体下肢结构和步态研究角度出发,提出并设计了一种适用于人体负重状态时的下肢助力机械外骨骼,在助力人体下肢运动的同时提高人体负载能力。设计以人体下肢结构为基础,利用Solidworks三维设计软件建立了下肢机械外骨骼的三维模型。之后通过对人体步态的分析,建立了人体下肢运动学模型,并通过matlab/simulink软件建模进行仿真分析,得到结果与CGA标准曲线对比验证模型正确,进而实现步态规划与轨迹控制。最后通过Solidworks/Motion对装置模型进行动力学仿真分析。结果表明,机构可以实现人体步态行走。

下肢外骨骼机器人带动人体下肢来完成行走、站立等动作,此过程的人机交互很密切。在人行走、站立等过程中,随着不稳定因素的产生,会使外骨骼机器人带动人体发生倾倒情况。针对所存在的问题,以ZMP理论为依据,对下肢外骨骼机器人的稳定性进行分析,通过仿真分析最终给出符合下肢外骨骼机器人的稳定性判据。

下肢助力外骨骼机器人可以提供有效负载和支撑,但是目前下肢助力外骨骼机器人的髋关节存在机构单一、自由度少等问题。针对所存在的问题,提出一种可用于下肢助力外骨骼机器人的髋关节并联机构。基于螺旋理论对髋关节并联机构自由度进行分析,运用数值法对髋关节并联机构进行了位置分析,求得了位置逆解和正解。通过ADAMS对髋关节并联机构进行位置仿真,得到的结果符合人正常行走过程中髋关节外展内收-6°~4°以及内旋外旋-2°~3°的变化。用MATLAB对髋关节并联机构位置正解进行算例分析,算例分析结果绕X、Y的角度0°~-13.3069°和0°~5.2375°与仿真结果绕X、Y的角度0°~-13.573°和0°~5.343°基本一致,验证了髋关节并联机构用于下肢助力外骨骼机器人的合理性和可行性。