下肢外骨骼安装在人体下肢部分,与穿戴者的下肢运动相互耦合,是一种新型的的生机电一体化综合系统,涵盖了机械设计、感知、驱动、控制和机器人等领域。它能为人体下肢提供力量,进而可以辅助穿戴者的运动,从而增强人们运动时的能力,使得人体在背负重物或进行长时间的运动时,疲劳感能得到降低。本论文采用有限元作为研究方法,以下肢外骨骼机器人为研究对象,包括:首先,根据人体生物解剖学分析人体下肢各关节的生物结构和运动机理,得出人体髋关节、膝关节和踝关节的运动形式和参数,在此分析的基础上初步设计出外骨骼的结构模型。采用SolidWorks软件进行结构三维建模,主要包括外骨骼髋部、膝关节和脚踝部分的设计、驱动装置的布局等。另外,考虑到人体穿戴的安全性和舒适性,要增加一些自由度以契合人体运动,并设置限位结构;其次,对下肢外骨骼机构进行静态和动态的力学特性方面的计算和研究。由于下肢外骨骼为多体结构,因此需要建立多体动力学模型。为获得站立、行走工作状态下的相关力学数据,首先采用相关有限元分析方法,采用Ansys Workbench对机构进行有限元的静力学分析,得出机构在较危险运动情况下的总变形量和等效应力情况;然后采用五连杆模型推导出其动力学的数学模型,分析出在一个行走步态周期中髋关节、膝关节的力矩和功率情况,为驱动系统的选择提供依据;再次,进行模态分析。由于外骨骼穿戴在人体上行走时,各部件可能出现各种形式的振动,因此需要模态分析对外骨骼的机构进行研究,计算出行走运动各姿态下外骨骼机构的前六阶固有频率,并选取一个较危险的运动姿态,查看该姿态下外骨骼机构的振动形式,获得最大振幅,为下一章的优化工作提供参考数据;上述有限元结构分析的结果需要通过与第三方文献研究中所得到的数据和结论进行对比,以验证本论文结构分析的正确性;最后,针对上述有限元的结构分析结果,确定优化变量和约束条件开展结构优化设计。因为初步的设计方案是通过改进同类产品和凭借自己设计经验来开展的的,设计出来的结构往往还难以满足所需要求。为了提高优化时的运算效率,需要借助响应曲面和灵敏度要研究设计变量对其他输出参数的影响大小,在满足设计指标的前提下,以改善穿戴性能为优化对象,建立新的优化模型,最终获得一套合理的、拟人化的、穿戴舒适的下肢外骨骼机构最优设计方案。