下肢外骨骼机器人穿戴贴合人体轮廓、动力输出适应人体运动特征的性质称为人机相容特性。本课题旨在设计一种下肢外骨骼机器人,使其能够穿戴在人体下肢,增强运动灵活性,提高穿戴舒适性,具有较好人机相容性。穿戴者在平地及台阶行走时,下肢外骨骼机器人可以为髋关节和膝关节的屈曲与伸展提供柔性助力,缓解穿戴者关节载荷,提升运动效能。本文的主要内容:(1)进行人体在复杂地形的行走试验,获得人体在复杂地形的行走特性。平地运动时,髋关节和膝关节最大屈曲角度分别为21.74°、52.38°,最大伸展角度分别为13.71°、1.16°,外股四头肌肉力最大值49N。台阶地形运动时,髋关节和膝关节最大屈曲角度分别为34.61°、79.02°,上台阶时,内股四头肌肉力最大值90N,下台阶时,腘绳肌肉力最大值35N。上斜坡时,髋关节最大伸展角度为17.82°,下斜坡时,髋关节最大屈曲角度为3.42°,腘绳肌肉力与臀大肌肉力最大值分别为36N、53N。(2)基于人机相容特性,提出下肢外骨骼机器人的3种设计方案,通过求解形态学矩阵,确定最优设计方案。绘制下肢外骨骼机器人的结构图,通过运动学与动力学分析,确定下肢外骨骼机器人的具体结构,完成驱动模块的选型,设计相关附件。(3)基于人机协同控制策略,建立一种新型信号判断模式。针对下肢外骨骼机器人的控制结构,设计下肢外骨骼机器人的控制流程,根据平地及台阶地形的运动特性,建立不同运动地形的判断准则。(4)利用UG软件进行运动仿真分析,平地运动时,穿戴者与下肢外骨骼机器人髋关节和膝关节的角速度范围分别为-1.72～2.48rad/s、-5.42～5.13rad/s;台阶运动时,穿戴者与下肢外骨骼机器人髋关节和膝关节的力矩范围分别为-5.46～5.52N·m、-14.62～5.03N·m。利用ANSYS软件进行有限元分析,平地运动时,穿戴者与下肢外骨骼机器人髋关节和膝关节的网状结构最大应力分别为0.03MPa、0.008MPa;台阶运动时,穿戴者与下肢外骨骼机器人髋关节和膝关节的网状结构最大应力分别为0.035MPa、0.078MPa。仿真结果与理论结果的近似误差均小于1%,说明穿戴者与下肢外骨骼机器人具有较好的人机相容性。研究下肢外骨骼机器人的人机相容特性,可以提升下肢外骨骼机器人的设计水平,增强穿戴舒适性,提高运动灵活性,具有重要的科学意义、社会价值和应用前景。