外骨骼系统是用来穿戴的机器人,可以有效提高人的运动能力,主要在军事、工业、医学等领域应用。本课题的主被动结合式下肢助力外骨骼机器人AP-EXO,主要应用于单兵作战和工业搬运场合,为穿戴者提供助力,达到有效降低穿戴者负重感的目的。针对外骨骼的应用目的和场合,论述了外骨骼的机械系统设计、控制与检测系统设计、控制策略研究、相关实验测试及结果分析。简易实用的机械本体是课题开展的基础。外骨骼参考人体工程学和相关运动数据,采用拟人化的构型设计。在能够承受目标载荷的条件下,尽量减小整体质量和外形尺寸。外骨骼采用主被动结合的驱动方式,利用重力平衡原理平衡下肢自重,通过四连杆变速比的机构驱动主动关节,实现小自重、大出力的目的。稳定可靠的控制与检测系统是深入研究的必要条件。外骨骼采用DSP与ARM结合的主控单元,设计了基于CAN总线的分布式控制系统。设计霍尔角度检测模块,用于姿态检测和控制模型建立。在足底设计运动状态辨识模块,包括柔性压力检测和按键接触检测,有效判断穿戴者运动状态。在驱动单元中,设计用于人机交互检测的双量程力传感模块,结构简单,精度较高,有效保证控制算法实施。安全有效的控制策略是外骨骼功能实现的关键。建立外骨骼相应的坐标系,进行运动学分析。应用牛顿欧拉法进行动力学建模,实现对各位置和各关节力的求取。在支撑相使用线性三维倒立摆模型进行重力补偿,结合灵敏度放大法,达到良好的跟随运动与支撑助力效果。在摆动相使用双量程传感器检测人机交互力,预测主动关节运动趋势,作为力反馈信号,构成力闭环的控制策略,满足人机随动的使用目的。并在摆动相使用卡尔曼观测器估计交互力信号,提供正反馈的预测补偿,达到更快速的跟随运动效果。外骨骼系统装配集成,进行相关实验测试与结果分析。进行单关节性能实验,包括主动关节的跟随性测试和被动关节的平衡效果测试;在此基础上完成负重蹲起实验、连续行走实验、穿戴者负重感测试、外骨骼机动性测试、复杂路面运行测试。验证外骨骼在支撑相和摆动相的控制策略的有效性,验证系统助力效果和运动跟随效果,满足自重15kg,最大负重70kg,最大行进速度5km/h的设计指标。