动力式下肢外骨骼是一种辅助人体实现行走功能的装置,它既可以作为行走失能患者的代步工具,也可以通过主动式训练帮助脑卒中患者重新获得行走能力。动力式下肢外骨骼实质上也是一种康复机器人,康复机器人作为医疗机器人领域的一个重要分支,是机器人技术与医学技术相结合的产物,依据中枢神经系统具有高度可塑性的原理,通过主动训练帮助患者恢复运动能力。本文针对课题组研制的第一代外骨骼系统TUST-1进行结构优化,主要优化了外骨骼系统的运动方案、所用材料和驱动方式,经动力学仿真验证所选动力参数满足运动要求后进行了样机的试制。本文首先从所选材料、驱动方式、运动特点和控制策略等方面分析国内外比较成熟的外骨骼产品的优势与不足。并对人体下肢结构特点和力学性能进行分析,研究人的行走机理通过分析髋膝踝关节活动范围和力学特性,确定所设计的下肢外骨骼系统的自由度数量及位置,从而确定了本系统的优化设计方案。再通过碳纤维管力学试验以及碳纤维管与铝合金胶接强度试验,测得碳纤维管的力学性能参数,确定所用碳纤维管尺寸和碳铝连接处深度,为外骨骼系统的详细设计提供数据参考。然后运用仿生学原理设计驱动方案,增加踝关节主动自由度,通过主动牵拉患者跟腱肌肉加快其踝关节功能的恢复速度。大腿杆、小腿杆和腰部采用碳纤维材料替代之前设计所用的铝合金型材,为大腿长、小腿长和腰宽等尺寸设置无级可调机制,并通过SolidWorks软件建立外骨骼系统的三维模型。之后通过ADAMS软件对所设计的下肢外骨骼系统进行动力学仿真,验证所选驱动元件满足系统的动力需求。