负重型外骨骼机器人的出现解决了特殊情况下物资难于运输和搬运的问题,但是在负重后人机系统的重心偏移是造成人体躯干后倾的主要原因之一。早期负重型外骨骼在结构上设计成拥有拟人化的“踝-膝-髋”三关节,分别设有液压驱动单元,为工作提供动力,而髋关节处液压单元可以调节外骨骼背部的倾角。考虑到重量、续航、能量利用率等方面,目前多只采用膝关节驱动,带来负重外骨骼躯干后倾与人体负重前倾不符,造成人体躯干受力增大,对人体负重行走稳定性和舒适性造成极大干扰和不适。当负重过大时可能导致人体失衡或向后倾倒而造成伤害。从人体负重时躯干实际所处空间姿态和有利于人体稳定性两方面出发,提出采用凸轮连杆机构作为机械髋关节并用其协调躯干与负重之间的角度关系。在用SolidWorks建立与标准身高及各体段长度适当的外骨骼模型的基础上,分析了结构强度及其与人体模型之间位置的协调性;通过一个周期内下肢步态动作的分析,获得人体下肢运动过程及运行时某一侧小腿及大腿的空间位置,通过Kane方法对人体下肢进行动力学分析,导入Adams中进行了动力学仿真。各体段的相关参数采用国家标准,通过仿真获得人机系统重心在矢状面内前后位移的变化结果。结果表明:本文取消髋关节处液压驱动单元而改用新设计的髋背结构,在结构上满足了拟人化的要求,不会妨碍人体下肢正常运动。由于采用单一驱动(膝关节),在续航能力上比多驱动更加持久。机械髋关节作为人体躯干和外加负载的连接器和调节器,一方面可以保证外加负载和人体保持一定的固连关系,使得人体和外骨骼之间有一定的反馈关系,另一方面可以调节负重与人体前倾角度之间的关系,可以满足负重增加人体前倾角度增加且有一定的函数关系。1、新机构将负重与躯干相互关联,负重与躯干前倾角之间存在一定的函数关系,负重越大躯干前倾角越大,满足负载增大而人体躯干前倾的趋势。2、在0至12%BW(Body Weight)之间时,人体承受力较小。超过12%BW之后,躯干前倾角度增幅剧增,使得躯干重心向前移动,抵消部分外加负重形成的反抗力矩,提高人体和外骨骼行走稳定性。3、采用Kane方法建立人体七杆模型,将行走过程中不可缺少的足考虑进去,更加符合人体实际行走情况。相比Newton定律、Euler方程和Lagrange方程,Kane方法不需要求解动能和势能,更适宜用计算机完成求解,减小计算量,提高工作效率。4、系统在不同负重时对应不同躯干前倾角,负重通过机械髋关节传递到背部的作用力可以满足在20%BW以内,通过外骨骼躯干自身调节,对于行走稳定性来说这是可以稳定控制的范围。重心位置较之前向直立站姿时重心位置靠近,之间距离同比缩小9%,提高了前后稳定性。