摘要
随着我国人口老龄化的加剧以及因不同程度损伤导致下肢运动机能衰退的现象，严重影响了人们的生活质量。近几年穿戴式下肢外骨骼作为一种辅助人体日常行走的设备逐渐成为研究热点，给人们的生活带来诸多便利。因此，本文设计了一款轻便舒适且能有效增强穿戴者运动能力的无源下肢外骨骼装置。具体研究内容如下: 以解剖学理论方法为基础深入研究了人体下肢生理结构与关节运动机理;为了更好的适应人体生理特征，依据中国成人尺寸标准确定外骨骼尺寸参数;分析下肢运动步态特征，利用Opensim模拟了人体正常行走过程，获得各关节角度随时间变化的规律。 根据人体下肢生物力学理论模型，对下肢骨骼在肌肉、韧带作用下的受力情况进行分析;基于有限元分析法，构建了接近人体实际生理状态的人体下肢骨骼有限元模型，明确下肢骨骼生物力学特性;为模拟肌肉、韧带约束，建立不同被动式弹簧组合机构作用下的下肢骨骼有限元模型，分析其应力和形变的变化，得到了最优组合方案，实现了下肢外骨骼更优的穿戴体验和助力性能。 基于结构设计原则，对下肢外骨骼整体的机械结构进行了三维建模;对站立相、双腿支撑相、单腿支撑相和摆动相下的外骨骼进行了有限元建模和静力学分析，并验证其机械结构的安全性;基于D-H参数完成了下肢外骨骼运动学建模和工作空间分析，并验证了人体-外骨骼兼容性;为了实现下肢外骨骼的轻量化，对主要零件进行了拓扑优化设计，并对优化后的零件进行了强度验证。 基于虚拟样机仿真平台，对人体-外骨骼动力学仿真模型进行协同行走的仿真分析，获得髋、膝和踝关节的动态特性参数，仿真结果验证了下肢外骨骼的运动平稳性和人-机协同性;完成了物理样机的研制，并进行了人体-外骨骼协同行走实验，实验证明外骨骼能够提供给使用者稳定支撑和安全保障，验证了无源下肢外骨骼的可行性与有效性。
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