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目前,外骨骼助行机器人一般采用刚体结构和刚性驱动方式,穿戴起来比较笨重,导致步态僵硬,降低了穿戴者的舒适性,限制了外骨骼助行机器人的实际应用。本课题利用人体在平地、台阶的的耦合仿生特性,设计刚度调控的外骨骼助行机器人,主要研究内容:(1)获取人体在平地、台阶地形运动时的下肢髋关节、膝关节、踝关节的转角以及关节角速度和角加速度。平地行走,人体左腿各关节的转角:0～24.9°、0.7～63.2°、-0.7～24.0℃,右腿各关节的转角:0～28.1℃、5.3～72.8℃、-5.4～32.1℃;上台阶,人体左腿各关节的转角:0.5～44.0°、17.8～87.4°、-10～24.3°,右腿各关节的转角:0.1～40.9°、12.9～91.4°、-12.6～18.8°;下台阶,人体左腿各关节的转角:11.1～34.0°、15.3～84.3°、-16.7～25.80,右腿各关节的转角:5.6～30.7°、13.7～88.3℃、-23.4～30.7℃。(2)利用Matlab SimMechanics研究人体下肢的动力学特性,获取人体下肢髋关节和膝关节的力矩。平地行走时,人体左腿关节峰值力矩分别为130N·m、57N·m,右腿关节峰值力矩分别为159N·m、60N·m;上台阶时,人体左腿关节峰值力矩分别为233 N-m、75N·m,右腿关节峰值力矩分别为270N·m、83N·m;下台阶时,人体左腿关节峰值力矩分别为110N·m、45N·m,右腿关节峰值力矩分别为125N·m、52N·m。(3)采用Morin腿刚度模型,计算人体下肢刚度,人体以慢速、常速、快速运动时,平地行走的下肢刚度分别为2.84～7.80KN/m、3.72～9.38KN/m、3.01～10.19KN/m;上台阶的下肢刚度分别为1.30～4.01KN/m、2.14～5.39KN/m、2.57～7.95KN/m;下台阶的下肢刚度分别为 1.20～7.71KN/m、2.34～10.27KN/m、3.40～17.98KN/m。(4)根据人体下肢的运动学特性、动力学特性和刚度特性,设计刚度调控的外骨骼助行机器人,利用CATIA软件建立外骨骼助行机器人的三维模型和人机穿戴的耦合模型。采用ADAMS软件进行人机穿戴动态仿真,平地行走时,外骨骼助行机器人的刚度调控范围分别为 0.02～36.91KN/m、0.01～12.56KN/m、0.09～38.25KN/m、0.01～10.39KN/m;上台阶时,刚度调控范围分别为0.03～53.40KN/m、0.02～19.49KN/m、0.07～65.93KN/m、0.03～25.34KN/m;下台阶时,刚度调控范围分别为0.13～40.55KN/m、0.03～20.92KN/m、0.08～46.10KN/m、0.06～18.48KN/m。研究外骨骼助行机器人的刚度调控,融入人体下肢的运动学特性、力学特性和刚度特性,改善人机运动协调性和共融性问题,具有重要的科学意义、社会价值和应用前景。