针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求,设计了一种多功能下肢外骨骼机器人,利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型,采用拉格朗日方法推导出动力学模型,计算各关节所需的理论力矩;建立虚拟样机模型进行动力学仿真,仿真数据与理论数据进行比较,验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性,为后续电机选型提供了依据。

针对医学康复训练设备存在训练方式方法过于单一的问题,设计了一种新型多体位康复训练下肢外骨骼,建立了下肢外骨骼数学模型,进行了运动学仿真及分析。搭建了多位下肢康复外骨骼实验平台,进行了基于实物样机模型的步态行走实验。将仿真数据与实验数据进行对比,表明多体位下肢外骨骼设计的正确性以及合理性。

为了解决手部丧失运动能力患者的康复训练以及日常生活不便的问题,设计了欠驱动康复外骨骼手。研究了人手的生理结构,由关节间存在的耦合运动,设计了多连杆以及齿轮传动系统,实现欠驱动康复训练。利用解析法建立了单个手指的运动学模型,通过单个手指的运动学模型建立4指的拟合抓握模型,并进行了模拟仿真。建立样机并进行样机实验及运动学仿真,通过结果的对比分析,外骨骼手运动实现了预期的运动且运动合理、误差小。

为了兼顾外骨骼动力的线性输出与穿戴过程的安全性,设计了一款包含助力与缓冲两种工作模式的下肢外骨骼。首先,对外骨骼膝关节缓冲器及整机模型进行了参数计算与结构设计;然后,对其做动力学分析并通过Matlab计算得到关节理论力矩;将计算所得参数与理论力矩分别代入Adams,对两种工作模式下的外骨骼进行仿真试验;通过对比仿真结果与人体运动标准数据,证明外骨骼助力模式可基本满足穿戴者正常行走需要,缓冲模式可在突发状况下缓冲刚性冲击。研究结果为后期系统的控制与模型制造提供了重要的理论依据。