近年来,可穿戴外骨骼技术已成为机器人研究领域的热门方向,其开发与研究旨在增强人体机能、拓展人体功能,在许多领域都有广阔的应用前景。目前的外骨骼在结构设计或多或少应用了仿生原理,但在髋关节和踝关节的设计上都采取了关节外置的形式,这种布置方法难免会造成外骨骼与人体之间的干涉。本课题的目标是设计一款助力型外骨骼,使外骨骼髋(踝)关节旋转轴线与人体相应髋(踝)关节旋转轴线重合,意在从结构设计层面减少外骨骼与穿戴者之间的干涉,使外骨骼能更为柔顺地跟随人体运动,为外骨骼之后的驱动和控制提供良好的结构基础。本文的主要研究内容包括:(1)基于仿生学提出一款助力型外骨骼的设计方案。综合以下方面:由人体下肢的肌肉骨骼模型及步态分析,配置外骨骼的应有的自由度,并确定主动自由度,明确了各关节的运动范围;考虑人体体格标准和身材的兼容性来确定外骨骼的主要尺寸;设计外骨骼的关节结构和整体方案,并在SolidWorks中建立所设计外骨骼的三维模型。(2)对所设计的外骨骼进行了运动学与动力学建模。通过D-H分析法对外骨骼进行了运动学建模,计算其运动学正解与运动学逆解,并计算了外骨骼的雅克比矩阵,为外骨骼的承力指标的计算提供了依据。借助拉格朗日法对所设计的外骨骼进行动力学建模,计算了简化的外骨骼连杆系统的动能和势能。(3)构建了外骨骼-人体耦合模型并对其进行行走步态仿真。基于人体骨骼系统、生物力学数据和所设计的外骨骼三维模型,建立起人机耦合三维刚性模型,在Adams中设置仿真环境参数,进行行走仿真,直观地观察外骨骼各构件的运动状况和受力情况。(4)试制外骨骼样机。经运动学与动力学建模、外骨骼-人体耦合系统行走仿真之后,试制外骨骼样机,检验该设计的可行性和对人体行走的柔顺跟随效果。