随着机器人学、机械设计学、现代制造工艺学和计算机仿真学等领域的快速发展,基于人体仿身学所建立的外骨骼机器人有了较大的突破和更广泛的应用。外骨骼机器人能够模拟人体的骨骼结构和关节运动,在驱动系统的控制下,能对穿戴者提供助力帮助和助力支撑,同时能对人体起到保护的作用。本文在分析了目前国内的助力型下肢外骨骼机器人后,根据农业劳作中穿戴者的助力需求,针对性的设计了一款适合农业劳作的农用下肢外骨骼机器人装置。该机构拥有很好的仿生性,能辅助劳作者在各种环境和地形开展劳作,帮助劳作者在进行果实采摘时给予助力支撑,降低劳作者的劳作强度。本文所研究的内容围绕农用型下肢外骨骼的几个关键技术展开,对所设计机构的穿戴协调性、人机协同运动、静态支撑的控制、静态支撑失稳的条件进行了如下研究:(1)鉴于人体仿生学总体设计的准则,本文在分析了人体下肢关节、骨骼以及关节运动角度,结合穿戴者农作姿态的需要和助力需求后,设计了一款适用于农业劳作的下肢外骨骼机器人机构,并通过三维软件UG进行建模,其中下肢外骨骼机构的髋关节、膝关节和踝关节都做了创新性设计。(2)为了对控制策略的研究提供理论依据,本文基于旋量理论和Paden-Kahan子问题对下肢外骨骼运动学进行分析,其中包括正运动学分析和逆运动学分析,给出了正、逆运动学的求解方程,并运用Matlab仿真软件对算法进行验证。(3)为验证所建立外骨骼的助力性和协同性,将UG中设计的模型导入ADAMS进行分析,先对髋关节、膝关节和踝关节进行步行运动分析,得到关节角度对比分析图,验证了外骨骼的协同性;再对下肢外骨骼进行负重仿真分析,得到了关节力矩的对比图,验证了外骨骼的助力性能。(4)分析穿戴者半蹲采摘姿态时的外骨骼的静态失稳条件,基于螺旋理论对该姿态下的下肢外骨骼进行平衡方程的建立,推导出该机构的雅克比矩阵和奇异位形的判别阵,分析该机构在静态支持锁住情况下静态失稳的条件,并给予公式计算证明。