随着科技的进步,人机交互、辅助医疗和机器人等技术在日常服务领域的应用日益增多,为人们的生活带来了诸多便利。本课题基于辅助老年人徒步行走、降低自身体能消耗的现实意义,以结构简洁灵活性、系统稳定性和穿戴舒适性为设计目标,开展了下肢外骨骼机器人的设计研究。主要研究内容如下:基于人体下肢结构特性、运动机理和行走步态,对外骨骼机械结构进行仿生设计,确定了总体尺寸,设计出整体构型方案,并完成驱动关节的配置及驱动方式的选取;利用Solidworks软件建立了外骨骼虚拟样机,并利用Workbench软件对受力最大的单腿支撑相和处于过渡时期的双腿支撑相进行了静力学分析,仿真结果表明,外骨骼所受的最大应力低于材料的许用应力、最大形变量符合设计要求。基于D-H参数坐标法和微分变换法,对外骨骼进行正、逆运动学分析,得出主动关节的运动特性;运用拉格朗日法对外骨骼进行动力学分析,建立了动力学方程;针对外骨骼的适用对象,拟合出适合穿戴者步态的数据曲线,创建了基于ADAMS模型,并进行运动仿真,得到髋关节、膝关节和踝关节轨迹曲线、行走位移及步长曲线;通过分析行走步态特征,验证了结构设计和步态参数的合理性。基于ZMP稳定性判据的步态规划方法,首先利用多项式插值法对外骨骼踝关节、髋关节运动曲线实现参数化,然后利用遗传算法对步态参数后续优化,最后求解出髋关节、踝关节的运动轨迹;借助Matlab软件建立了运动学模型,并通过分析模型角位移和角速度的变化轨迹,验证了步态规划的可行性与正确性,得出所设计的外骨骼具有穿戴舒适和实用较高的特点。