摘要
基于人机工程学和人体下肢步态运动特点的研究，本文提出了一种可以在膝关节处产生助力效果的无动力外骨骼装置。依据其在运动过程中通过弹性变形产生能量有即储存即释放的特点来进行运动助力，用来补偿下肢做负功期间的能量损失，实现降低人体代谢能量的目的，从而提高人体行走耐久性和负重能力。 论文的主要研究工作和取得的成果如下： （1）膝关节助力外骨骼人体工效特征。基于解剖学原理对膝关节生理特性进行分析，基于D-H法建立下肢运动学模型并进行了生物力学分析，同时利用Vicon动作捕捉系统及三维扫描技术获得了膝关节相关参数，为后续装置设计奠定了基础； （2）膝关节助力外骨骼设计。综合考虑功能实现、使用安全性与可行性等因素，完成了膝关节助力外骨骼装置的储能单元选取、结构设计及重要零部件的有限元仿真； （3）动力学分析及人机耦合验证。基于拉格朗日建模方法，从系统能量角度构建了人体下肢的动力学模型并用Matlab求解了关节力矩；在Adams环境下输入外骨骼样机模型，通过仿真分析获得了关节力矩曲线。对比分析表明了所建立模型的正确性和样机设计的有效性； （4）膝关节助力外骨骼实验验证与分析。基于3D打印成型与机械加工，制作了膝关节助力外骨骼样机，利用Nokov动作捕捉系统与Delsys无线表面肌电测试设备进行实验，验证了外骨骼助力装置的有效性。
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