随着现代社会生活质量、卫生保健水平的进步和提高,人类社会逐渐进入老龄化时代,中、老年人口的占比越来越大。人老先老腿,行走困难亿成为越来越多中、老年人日常生活必须面对的问题。为此,本文基于虚拟样机技术设计了一种骑乘式下肢助行器并进行了仿真研究,为下一步实体样机研制、制作建立理论基础,旨在给中、老年人下肢提供辅助动力,减轻他们的行走和站立负担,同时具有帮助中、老年人行走锻炼的功能,以提高中、老年人的生活质量。本文在广泛查阅外骨骼辅助装置以及辅助行走装置设计相关研究文献的基础上,基于虚拟样机技术完成了骑乘式下肢助行器的设计与仿真。首先,分析确立助力方式,构建助行器结构模型。依据人机工程学理念,参考人体结构和活动特点,研究人体下肢关节运动机理和运动方式;利用SolidWorks设计与现有骨骼系统近似、平行的外骨骼助力机构虚拟样机,它由骑行座(相当于髋部)、支撑大腿、支撑小腿、踝关节以及鞋套等组件组成:穿戴者的两只脚穿在鞋套中,外骨骼助力装置与穿戴者同步运动,骑行座始终向上托举,减轻体重对腿部的压力,为穿戴者提供行走助力。接着,建立助力机构运动学与动力学模型,研究分析行走有效助力的影响因素。建立助行器助力行走位姿的运动学模型,利用数学关系矩阵描述模型的关联关系,进一步建立运动学仿真模型。计算分析助行器平稳助力行走时各关节角变化的规律,进而在ADAMS环境中对虚拟样机进行运动仿真分析,再依据牛顿-欧拉方程和拉格朗日方程构建关节动力学仿真模型,分析助行器助力行走动力学规律并求解关节驱动扭矩。仿真表明,助行器虚拟样机能够稳定、适时的助力行走,为结构优化、电机选型以及驱动控制奠定了基础。进一步,基于步行位姿及穿戴者意图感知分析确定助力驱动方式,构建助力控制系统。设计以锂电池为储能、关节电机为驱动、同步带与带轮为传动链的膝关节摆角调节结构;将锂电池、关节电机安装在支撑大腿的上端,通过同步带、带轮调节膝关节摆角;利用单片机采集传感器的输出数据,并据此设计通过控制关节电机驱动器,构建以座椅对臀部的托举支撑力为控制目标的闭环控制系统;研究基于步态、意图感知的膝关节摆角控制方法,设计硬件系统、编制控制程序。最后,利用ADAMS环境的助力行走虚拟样机对人机随动、步态仿真、以及助力效果进行了穿戴仿真实验与助力效果评估。仿真实验分析结果表明,助行器助力行走模型在步长、步速和步频上均能符合人体下肢平稳行走规律,助行器能够达到平稳助力人体行走的效果;最终进行了助行器助力效果评估,评估结果说明助行器实现了设计的目标要求,从而为下一步的样机加工制作奠定了基础。