下肢运动功能障碍主要由中风、心血管疾病、肌肉退化和交通事故等原因造成的,威胁着患者的健康和生命。外骨骼机器人可以代替医师对患者进行辅助康复训练,并且具有康复医师的劳动量少、训练可重复性好、训练模式多样和康复效果好等优点,已经成为当前的研究热点。然而,国内外研究机构开发的外骨骼大部分采用刚性执行器直接驱动,在高安全和高柔顺的人机交互方面存在不足,因此需要研究一种变刚度执行器驱动的康复外骨骼系统来满足高安全性和高柔顺性的交互训练要求。根据此研究背景,本文针对下肢运动功能障碍患者的康复训练的关键问题,对主动变刚度下肢外骨骼的结构设计和康复训练的控制展开研究,主要内容如下:人体下肢生理特性及康复训练医学分析。基于人体下肢的解剖学,分析了人体下肢的运动坐标、运动自由度、下肢的尺寸分布和下肢肌肉组成,为外骨骼的设计提供了理论支撑;根据人体关节的刚度调节机制,提出了外骨骼的刚度调节机制,来提高外骨骼辅助的柔顺性和安全。此外,以脑卒中引起的下肢运动功能障碍患者的康复训练为例,分析了脑卒中患者康复训练实现运动功能恢复的可行性,并根据患者的运动障碍程度分析了不同阶段的康复训练需求,为设计用于不同时期的变刚度下肢外骨骼和制定康复训练控制策略提供指导。变刚度下肢外骨骼系统设计。提出了一种弹簧预张紧式的可重构式变刚度原理,并设计了变刚度执行器的机械结构。建立了变刚度执行器的理想模型和摩擦补偿模型,并对变刚度执行器的刚度、储能和耗能进行了仿真分析。基于所设计的变刚度执行器,分别设计了摆腿式变刚度下肢外骨骼和行走式变刚度下肢外骨骼的机械结构。此外,搭建了包括传感检测、数据采集和运动控制的实时控制系统。变刚度下肢外骨骼控制策略研究。基于人体的运动方式,提出了包括感知层、转换层和执行层的变刚度下肢外骨骼分层控制框架。在感知层,提出了一种基于s EMG和Hill-type的关节扭矩估计方法。在转换层,在设计的控制策略下,根据感知层的感知信息,生成外骨骼的输出扭矩/位置和刚度。在执行层,提出了一种不需要扭矩传感器的变刚度执行器扭矩控制方法。最后,在分层控制的框架下,根据康复训练的不同时期,提出了用于前中期康复训练的按需辅助控制策略和用于后期助力辅助的基于肌力估计的扭矩控制策略。变刚度下肢外骨骼实验研究。进行了变刚度执行器的刚度特性验证实验,结果表明所提出的变刚度执行器可以通过滑轮重构使执行器工作在不同的刚度和扭矩范围,其输出刚度可以通过调整弹簧预紧力来实时调整。根据所提出的变刚度执行器的扭矩控制方法,分别进行了静态和动态扭矩控制实验,结果表明所提出扭矩控制方法具有良好的扭矩控制性能。最后,根据所提出的用于康复训练前中期的按需辅助控制策略和基于肌力估计的扭矩控制策略分别进行了摆腿康复训练实验和行走助力实验,并对其结果进行了详细的分析。摆腿康复训练的实验结果表明,外骨骼可以根据受试者的参与程度自动调整柔顺性,增强交互的柔顺性。行走助力的实验结果表明,外骨骼在助力比例因子为0.3的情况下最大可提供25.65%的助力。