外骨骼机器人已经被应用于负重、辅助行走、康复训练等众多领域。对于下肢外骨骼,目前已有一些装置可以为下肢关节施加辅助扭矩,以增强健康人的行走能力或帮助残疾人行走。刚性外骨骼虽然可以提供较大的扭矩,但一般具有较繁琐的机械结构和较大的质量,增加了能源消耗。作为刚性外骨骼的替代品,本文研制了一种柔性可穿戴装置。这种装置包含尼龙带和纺织品等部件,它们本身具有较小的硬度,但在力的作用下不会发生大量伸长或收缩。这些柔性部件质量轻,与人体关节结合可靠,不会影响正常行走的自然步态,对人体造成伤害的风险小。众所周知,踝关节的运动比下肢其他关节运动需要更大的肌肉力,因此为踩关节的运动提供附加力可以更有效地辅助行走。本文的主要研究工作如下:(1)分析了人体行走步态规律,并利用拉格朗日方法建立了人体行走动力学方程。采用OpenSim软件,对人体行走步态进行仿真,得到了行走过程中下肢各关节的角度变化范围和肌肉出力变化曲线。研究了辅助力对肌肉代谢能的影响,表明在指定的肌肉处并联主动执行器后,可减小人体行走的总代谢能,证明了行走增力装置在原理上的可行性。(2)研究气动人工肌肉的结构和静力学模型,利用Abaqus软件对气动肌肉进行仿真分析,研究了不同设计参数,例如直径、长度、编织网初始角度、输入气压大小等因素对气动肌肉输出特性的影响。设计并制作出全部由柔性材料制成的气动肌肉,搭建气动控制实验平台,通过实验测试其静态特性与动态特性。(3)提出了可穿戴踝关节柔性增力装置的结构设计方案,并设计合理的控制系统。气动肌肉由直动式电磁阀进行控制,能够实现充气、排气及保持功能。电磁阀的开闭由继电器控制,继电器的控制信号由Arduino发出。同时由Arduino读取各传感器信号,包括力传感器、气压传感器和惯性传感器,并通过串口通信将数据传输给上位机。上位机的程序由Matlab编写,能够控制继电器的状态并显示及保存各传感器数据。(4)开展了可穿戴行走增力装置的实验研究,先将惯性测量单元分别安装在足部和小腿上,可以检测出步态周期中踝关节角度的变化,根据测量结果分析步态特征,确定执行器工作的步态阶段。组装好行走增力装置后,设定合理的控制方法,在确定步态阶段控制气动肌肉的执行,为踝关节的跖屈运动提供辅助力。通过行走实验测出该装置所能产生辅助力的大小,结果证明了该装置能够实现为行走增力的功效。