机器人技术逐渐被应用到康复领域,辅助患者进行安全高效的康复训练。本文基于人体自然关节具有复杂的运动学特性设计一款穿戴式康复外骨骼机器人,并对其进行运动学建模,动力学分析以及有限元分析和优化设计,论文主要研究成果如下:采用外骨骼等机动性设备在神经系统的损伤后尽早干预治疗,并通过合理的训练模式可改变神经肌肉和骨骼系统等结构和功能,能最大限度的缩短患者恢复时间、减少后遗症。基于对人体下肢生物关节分析和步态研究,综合出一套自适应下肢穿戴外骨骼机器人设计思路,提出实现关节自由度、自适应、便于穿戴、尺寸可调以及轻量化的设计原则,为设计出性能优良、安全性高的外骨骼机器人提供方向。在对自然关节实际运动轨迹的研究基础上,根据提出的外骨骼机器人的五项结构设计原则,着重解决外骨骼机器人在机构上的人机交互问题,包括髋关节和膝关节的自适应设计和考虑人体舒适度的穿戴设备等,设计出一款主被动结合气动人工肌肉驱动的自适应下肢康复机器人。对人工气动肌肉进行静态模型分析,得到充气气压和驱动力的关系为驱动力矩分析提供依据。利用D-H坐标系建立下肢康复机器人运动学模型,分析得到机器人各关节角度变化量与末端位姿的关系,通过雅可比矩阵得到关节速度与末端速度的关系。此外,通过蒙特卡洛法对机器人进行工作空间分析。对有三个自由度的自然膝关节进行建模,得出外骨骼膝关节角度和人体自然膝关节运动角度关系,并利用编程软件对外骨骼自适应膝关节机构进行建模分析。采用拉格朗日法对两种步态下的外骨骼机器人机械腿进行动力学建模,分析得出外骨骼机械腿的总动能与总位能。此外,利用拉格朗日功能平衡法求得摆动腿髋关节、膝关节以及踝关节,支撑腿髋关节、膝关节的驱动力矩。建立简化外骨骼机器人虚拟样机模型,根据各关节运动数据得到摆动腿和支撑腿在完整步态周期中的关节角速度和关节力矩曲线图,为实现下肢康复机器人的运动控制和步态产生提供理论依据。利用有限元分析软件建立外骨骼机器人静力模型,从步态周期中选取站立相、双腿支撑相、摆动相和单腿支撑相四种状态,并在整体变形、应力和应变三方面对外骨骼机器人结构进行静力分析,最后根据优化目标对外骨骼机器人的结构强度、刚度进行针对性优化,实验结果验证了优化的正确性。