外骨骼作为可穿戴式机器人,在运动过程中需要外骨骼与人体之间的协同配合,人机之间的协同配合要求外骨骼的设计不仅要满足人体膝关节的运动特点,同时还要满足人与外骨骼关节之间的对齐性。针对目前外骨骼普遍存在膝关节不对齐这一问题,本文将根据人机工效学的相关知识对结构进行设计,根据本文设计的结构分别对运动形式的匹配性和运动轴模块的对齐性展开研究,从这两方面验证膝关节运动形式的差异对运动学和动力学的影响。本文研究的主要内容包括:首先,基于人机工效学人机系统设计要求,运用人体测量学相关知识确定人体下肢各个关节的基本尺寸;根据人体运动学研究下肢关节运动平面和运动轴,确定人体下肢自由度和运动范围;利用光学捕捉仪器测量人体行走步态特征,确定各关节运动角度;分析膝关节简化模型确定本文使用的简化膝关节理论。其次,建立仿生膝关节模型。根据膝关节运动特点建立接触点模型、运动学模型和动力学模型;根据接触点模型分析股骨与胫骨的接触特点,研究不同弯曲角度下股骨与胫骨的接触情况;根据运动学模型分析接触点运动轨迹函数;通过股骨与胫骨在不同角度下接触点位移和接触点轨迹函数,得到矢状面内仿生膝关节运动曲线;动力学模型通过研究膝关节受力情况为最后实验章节提供力学参数。然后,对下肢外骨骼进行整体结构设计。根据下肢关节尺寸数据进行整体结构设计;根据五杆模型占优优化理论对下肢腿部尺寸进行优化,使结构之间达到最佳助力效果;根据膝关节模型分析得出的结果进行膝关节仿生设计,仿生膝关节的创新性体现在最大限度的人重复人体膝关节运动形式和特点,在矢状面形成仿人运动。为了减轻外骨骼系统质量,踝关节采用被动式结构;根据体型差异性对外骨骼进行体型兼容设计。最后,搭建完整的实验平台。基于下肢关节角度,利用人体建模软件得出各个关节力矩,通过关节力矩和助力系数进行电机选型,考虑到外骨骼系统的传动性能,采用滚珠丝杠作为驱动方式。通过实验平台对本文设计的仿生膝关节外骨骼进行实验分析。膝关节内力和速度作为表征运动形式不匹配的实验参数;捆绑处交互力和腿部的错位角位移作为表征膝关节运动轴模块对齐性的实验参数;根据这两方面的实验研究说明膝关节运动形式差异性对力和错位角度的影响,同时基于人机工效学的仿生膝关节外骨骼对运动形式差异性进行改善,也说明人机工效学理论具有指导意义。