外骨骼与人体下肢进行实时交互时,人体下肢的刚度在不断发生变化,采用传统的基于关节力矩或者是位置控制算法的刚性作动器无法很好复现与环境交互的动力学规律,实际行走表现为机械僵硬并不流畅。而从仿生学的角度出发,基于人体下肢拮抗肌肉刚度和力矩变化特性,采取能够分离力矩曲线和刚度曲线的仿生变刚度柔性驱动器,能够提高与人体在动态交互过程中人机协调性能,进一步改善助力效果。本课题内容为下肢髋关节变刚度助力驱动器设计与控制策略研究。首先对髋关节本体拮抗肌群进行剖析,对人体下肢髋关节主要运动功能、髋关节的主要肌群、髋关节的拮抗肌群性质、特点、变刚度助力规律和肌肉激活进行分析,基于实验室信息采集系统采取了关节相关参数以提供设计依据。在变刚度助力驱动器设计部分,以人体下肢的主要尺寸参数作为外骨骼的设计参考,结合容错性、可调连接、轻便性等基本要求设计并优化得到合理的髋关节外骨骼结构。以鲍登线为主要传动媒介,基于拮抗肌的输出刚度和输出力矩可分离特性,采取在关节两侧分布变刚度机构的拮抗驱动形式设计拮抗型变刚度助力驱动器,建立驱动器总体运动学模型和动力学模型。对变刚度机构进行详细机械结构设计,搭建变刚度机构的输出力模型和输出刚度模型并进行规划,获取合理的机构设计参数。对变刚度元件进行被动往复加载仿真测试和真实往复加载实验测试验证模型正确性,分析机构的非线性未建模因素,基于补偿算法对变刚度机构理论模型的残差进行补偿,并基于实验数据集进行验证。最后对变刚度驱动器的输出力矩曲线和刚度曲线的后续控制进行规划。在变刚度驱动器控制策略研究方面,以人体拮抗肌助力控制策略为基础搭建上层控制策略。基于髋关节运动学数据和动力学数据搭建拮抗肌的激活预测模型明确助力时机,基于髋关节肌肉骨骼模型搭建关节刚度和关节力矩的映射关系,对人体髋关节肌肉骨骼模型参数进行辨识并进行模型有效性检验,结合变刚度机构刚度曲线完成给定电机前馈位移信号和机构两侧期望输出力模型的构建。设计下层控制策略实现变刚度机构输出力的控制,构建控制系统数学模型,从而实现两侧变刚度机构输出力的补偿,进一步实现髋关节变刚度驱动器输出力矩和输出刚度的控制。最后设计髋关节蹲起助力仿真实验对髋关节拮抗型变刚度助力驱动器的助力有效性进行检验。