摘要
人们关于外骨骼(Exoskeleton)的认知起源于对昆虫和甲壳类动物的探究，外骨骼可以为其提供保护和支撑功能。在此启发下，人类开始了对外骨骼机器人的研究。外骨骼机器人是融合了机械、仿生、控制、人机工程学等研究领域的复合系统，它可以穿戴在人体身上，在为人体提供支撑保护的同时，辅助人体完成系列复杂的运动。近年来，外骨骼机器人的应用价值越来越得到国内外的广泛关注。本课题主要围绕外骨骼机器人机构进行基础性的研究，主要研究内容包括以下几个部分: 通过对比国内外研究发展现状，并根据人体解剖学的知识，在充分考虑外骨骼机器人与人体的兼容性的基础上对人体下肢关节自由度重新配置，对外骨骼的下肢主要关节，包括髋关节、膝关节和踝关节的结构进行设计，然后以此为基础完成了人体下肢外骨骼机器人整机的结构设计。 利用D-H方法对设计的外骨骼机器人系统进行运动学建模，描述外骨骼下肢的关节变量与位姿之间的关系。然后对人机系统利用拉格朗日法对人体步态周期内的不同阶段进行动力学分析，由此得到各个行走阶段的关节力矩。最后对外骨骼机器人进行动力学建模并求解。 根据人体下肢步态数据库提供的关节转角数据，利用ADAMS对虚拟样机进行运动学仿真，包括人体模型的运动仿真和外骨骼机器人与人体模型的联合仿真，通过对比仿真结果，证明外骨骼机器人的运动与人体下肢运动特征能够正确的匹配，并且可以在运动过程中使人体节省一部分能量，从而证明外骨骼机器人结构的设计具有合理性。然后对外骨骼机器人系统上楼梯的运动过程进行仿真，进一步的验证结构的合理性。 根据有限元理论，利用ANSYS workbench软件对外骨骼机器人的机械结构进行有限元分析。对外骨骼机器人在步态周期内不同时刻的结构进行静力结构分析，验证机械结构的设计符合强度和刚度要求。对外骨骼机器人进行有限元模态分析，求解外骨骼机器人的固有频率和模态振型，为外骨骼机器人的定损修复提供理论支持，也为外骨骼机器人系统的进一步研究提供理论支持。
NETL