随着我国人口老龄化进程加快及伤病引起的下肢运动功能退化,近年来下肢穿戴式外骨骼的切实需求急剧增加。下肢穿戴式外骨骼是穿戴在人体表面,为人体下肢提供有效助力、增强运动能力的生物机电一体化产品,包括机械、控制、生物、感知和驱动部分。其中,机械结构设计的优劣从根本上影响外骨骼功能的实现,本文针对人与外骨骼之间运动不相容的问题,围绕下肢外骨骼机械结构开展构型分析、结构设计、机构运动学与动力学基础研究,为解决外骨骼人机运动相容问题提供理论依据,论文主要研究内容如下:1.人-外骨骼闭链构型研究。首先,采用解剖学理论与方法分析人体下肢生理结构,了解下肢运动机理及步态特征;其次,根据下肢关节结构建立等效人体下肢模型,并建立人-外骨骼矢状面运动模型;最后,针对人机运动学不相容的问题,采用高等机构学理论对人机闭链所需引入的被动自由度数量进行讨论,并经过构型优选得到人-外骨骼相容性构型方案。2.基于相容性人-外骨骼构型理论的下肢穿戴式外骨骼结构设计。首先,根据人体尺寸标准确定外骨骼尺寸调节范围,根据使用性能及轻量化原则选择外骨骼主要材料,由控制精度、易控制原则确定伺服电机作为外骨骼驱动;其次,针对人-外骨骼构型优选方案对髋、膝、踝关节组件进行研究,包括主、被动自由度结构设计及不同使用者长度调节结构设计,另外,采用人体工程学理论与方法对背部、足部和大小腿人机物理约束进行设计。3.开展对人体模型、外骨骼模型和人-外骨骼联合模型运动学仿真研究。首先,采用D-H法建立下肢外骨骼运动学方程,采用正运动学的方法求其踝关节运动区域,利用Adams建立人体仿真模型并实施仿真得到踝关节运动轨迹,验证人、机踝关节的运动区域兼容;其次,将外骨骼仿真模型导入Adams中,实施常规步行运动仿真试验,观测人机踝关节运动轨迹,验证所构建的外骨骼人机运动相容特性;再次,利用Adams建立人-外骨骼相容与非相容仿真模型,实施常规步行运动仿真试验,并观测人机下肢关节角位移,以人机运动匹配度为指标验证人-外骨骼模型的运动学相容;最后,针对外骨骼大腿和小腿人机物理约束的不同位置,以最佳关节匹配度为指标,分析确定合适的人机物理约束位置。4.开展人-外骨骼联合动力学仿真与外骨骼拓扑优化研究。首先,针对步行过程中支撑相及摆动相,采用拉格朗日方法建立人-外骨骼动力学模型,并利用Adams建立人-外骨骼动力学仿真模型,实施常规步行运动仿真试验,分别得出步行过程中理论和仿真的力矩特性;然后,以步行运动中最大髋、膝关节力矩值为载荷条件,利用Inspire对髋、膝关节主要部件进行拓扑优化,为外骨骼轻量化设计奠定理论研究基础。