下肢助力外骨骼机器人将仿人型机构与穿戴者下肢、背部贴合使用,既增强了穿戴者的负重能力,又保证人体穿戴体验具有一定的舒适性和灵活性。但人穿着外骨骼行走时,背负的载荷重心会跟随人体在矢状面内产生一个波浪形的上下运动轨迹,由此产生较大的峰值载荷,影响人体在大负重情况下的高速移动,同时也可能导致穿戴者的肌肉和骨骼遭受峰值载荷的冲击而受伤。造成此问题的原因是由于人体双腿交替屈伸使负重随着身体重心(BCOM)在矢状面的垂直方向频繁的上升和下降造成的,这种运动称为人体重心的垂直偏移。为减小这种偏移,本文在常规双驱动单元外骨骼的髋部和背部设计了一种基于连杆绳轮的髋背机构。根据人体重心在一个步态周期内垂直偏移的轨迹类似三角函数曲线的特点,引入具有往复运动特性的曲柄滑块机构作为新型髋背机构的核心部件。通过在曲柄滑块机构上增加四杆和定滑轮机构,合理配置曲柄滑块的布置方式和各杆件的长度关系,得到了一种减小背负载荷重心垂直偏移的髋背机构。人体在平直地面行走时,髋背机构由外骨骼的髋关节提供动力,通过连杆绳轮驱动负重做与人体重心垂直偏移相反的运动,从而达到减少重心垂直偏移的目的。基于工作原理并结合人体下肢生理尺寸,按照结构假设、受力分析、ANSYS校核和结构优化的步骤分别对髋背机构进行了详细结构设计和静力学分析。基于人体的步态特性对髋背机构减小垂直偏移的功能进行了运动学分析。将人体躯干和一侧下肢的大腿、小腿、足四个体段简化为四个串联的杆件,通过利用标准型D-H坐标系建立的人体下肢运动学模型推导出人体重心轨迹的正向运动学方程,获得了未装备髋背机构人体重心的垂直偏移值。利用机构设计理论推导出由下肢经过髋背机构驱动的负重重心的轨迹运动方程,得到了装备髋背机构时负重重心在矢状面Y轴方向上下波动值。装备髋背机构之后重心最大垂直偏移值由51.3mm减小至10.1mm,说明髋背机构对减小负重重心轨迹的波动有显著成效。将人体简化为一个七杆模型并选择牛顿欧拉法对步态周期中的右腿支撑相进行了动力学研究。利用比标准D-H坐标系统更简洁的改进型D-H坐标系统建立了七杆动力学模型,并结合牛顿欧拉法得出了下肢各个杆件的加速度等动力学参数的表达式。在动力学方面,新型髋背机构通过减小负重重心垂直偏移可以减少负重重心被双腿抬高时产生的势能和重心下降时所产生的动能。新型髋背机构给下肢助力外骨骼机器人带来性能改善,能较显著减少髋关节在外骨骼在一个步态周期内所产生的力矩,从而降低外骨骼系统的能量消耗,延长外骨骼机器人的续航时间。