助力型人体下肢外骨骼系统是一种穿戴于人体的助力装置,目前主要应用对象是需要提高负重能力的士兵。其目的在于使几十公斤的负荷给人的感觉好像几公斤,从而提升士兵的物资携行能力及运动机动能力,从而提高士兵的作战能力及抗震救灾能力。欧美一些国家在这方面的研究起步很早,技术也越来越成熟,样机也逐渐接近于实战要求。目前,国内对助力型人体下肢外骨骼的研究离实际应用还有较大差距,对外骨骼的认识还不是很深入。本文对助力型人体下肢外骨骼进行了机械系统设计、运动学动力学仿真分析、结构助力能力分析、控制方案设计及验证、控制器智能算法优化及实验样机研制与实验分析等工作。全文主要工作及内容如下:1.完成了电机直驱型及液压、电动推杆驱动型旋转膝关节外骨骼结构方案设计。提出并设计了一种新颖的平动膝关节人体异构型外骨骼结构方案,此方案将外骨骼膝关节直接使用液压缸或电动推杆设计成平动副,其机械结构相对于旋转膝关节外骨骼更加简单紧凑。2.通过对人体运动捕捉获得的运动步态数据进行处理,获得了适用于所建外骨骼仿真模型的步态数据,进而结合此步态数据进行了外骨骼Adams多体动力学建模与仿真。通过对外骨骼背负不同负载时的外骨骼关节参数进行对比仿真分析,发现最大转矩及最大功率(瞬间参数)不能有效体现出外骨骼的助力效果。通过仿真获取了外骨骼的电机驱动系统参数及液压驱动系统参数。通过对外骨骼关节弹性元件、阻尼元件的添加方法进行分析,发现添加弹性元件能够减小外骨骼关节需求的最大转矩绝对值;阻尼元件能够改善关节运动特性,但会产生额外的能量消耗。通过对外骨骼的ZMP(零点转矩)进行仿真分析研究,发现基于ZMP稳定性判据的控制策略不能有效跟踪人体运动。3.建立了人机协同行走Adams-Simulink联合仿真模型、人体直接背负负载行走仿真模型及人体无负载独立行走仿真模型。通过不同模型的对比仿真,分析了常见旋转膝关节外骨骼的助力效果。仿真发现,穿戴外骨骼不能有效减小人体驱动转矩范围大小,但能使背负负载时人体额外需求的动量矩消耗及能量消耗降低。说明外骨骼的助力效果体现在动量矩及能量这些针对整个运动过程的衡量参数方面,而非最大驱动转矩及最大功率这种瞬间参数。此外,对平动膝关节人体下肢外骨骼结构模型进行了助力效果仿真分析,证明了所设计平动膝关节结构在使外骨骼结构更加简单紧凑的同时,能够达到负重行走时减轻人体负担的目的。4.提出了将人体看作外骨骼工作环境的基于电机电流环的交互力放大控制方案。建立了结合外骨骼机械系统、电机系统、人机交互系统及控制系统的人机电一体化数学模型,在数学模型的基础上构建了对应的Simulink仿真模型。通过人机电一体化仿真,验证了此交互力控制方案能够大大降低搬运重物运动过程中的人机交互作用力,能够获得较好的人机协调性。5.通过遗传算法、BP神经网络算法、模糊算法对所设计的基于电机电流环的交互力放大控制方案中所采用PID控制器的参数进行了优化,并仿真分析了不同优化算法的控制效果。仿真结果显示,三种智能优化算法自适应控制器都能取得一定的优化效果,而所设计的模糊算法自适应控制器控制效果最佳。6.研制了一套助力型人体下肢外骨骼实验样机系统平台,并进行了大量性能分析实验。实验结果显示,穿戴外骨骼在不同速度及地形的行走工况下,人体只需提供25%左右搬运负载的外骨骼膝关节能量及动量矩,而且绝大部分时间人体与外骨骼膝关节角度偏差也在10°以内。说明所研制样机在不同运动工况下都具有较好的助力效果,具有较不错的人机协调性。