下肢外骨骼可以改善人类康复过程中的移动性和安全性。随着患有膝盖损伤或残疾的人群数量的增加,为了提供行走辅助,并且提高他们的生活质量,亟需设计用于康复目的的膝关节外骨骼。本文针对膝关节这一人体日常运动中不可或缺的单关节进行研究,为其设计一款人机交互适应性高、可穿戴的柔性关节外骨骼机器人。该外骨骼的构型为基于串联弹性驱动器的曲柄导杆机构,采用电机驱动,大腿机构和小腿机构可以调节长度。同时将摩擦与外部干扰、建模误差一同视为系统的干扰,结合关节的数学模型,构建扩张干扰观测器,设计一种基于扩张干扰观测器的膝关节外骨骼指令滤波反步控制方案。本文主要研究内容如下:（1）首先针对人体下肢膝关节的运动机理进行分析,了解在日常生活中膝关节的组织结构和下肢肌肉工作原理。其次针对正常行走中人体步态周期进行分析,确定两种步态阶段,并根据临床步态数据库得出步态周期中的膝关节转角与关节力矩。最后依据国标《中国成年人人体主要尺寸》得出膝关节外骨骼机器人的设计尺寸要求,并结合步频、步速、步长和关节转角设计膝关节外骨骼机器人的工作空间。（2）依据人体膝关节生物力学分析得出的外骨骼设计要求,设计一个紧凑型、轻量化、可靠性高、人机交互舒适性好的基于串联弹性驱动器的膝关节外骨骼。此外骨骼构型为曲柄导杆机构,大腿杆和小腿杆可以根据生物力学数据优化连杆长度尺寸,以减少驱动所需的峰值力。由此产生的工作范围符合人类行走的要求,并且它通过机械结构被限制在一个安全范围内,以保护膝关节。（3）针对膝关节外骨骼机构运动学进行分析,外骨骼膝关节与人体关节具有一定的对照性,外骨骼与膝关节无法分离,因此针对膝关节和外骨骼之间的运动学映射关系进行探讨。同时忽略系统的摩擦,假设弹簧一直处于其弹性范围内,其弹性力矩与减速器输入输出的相对转角保持线性关系,用欧拉-拉格朗日方法对系统的动力学进行建模。现有的大多数研究中,仅针对外骨骼关节中机械驱动部分进行动力学建模,而忽略电机的非线性特性的影响。为了建立一个更精确的系统模型,本文将串联弹性驱动器的动力学模型与永磁同步电机的电气模型整合在一起,以实现出色的控制性能。（4）基于串联弹性驱动器的膝关节外骨骼机器人机电耦合统一的动力学模型,提出一种基于扩展干扰观测器的指令滤波反步控制法。具体来说,开发一种可以估计高阶干扰的干扰观测器来实现对摩擦、外部干扰和建模误差的有效观察。同时,引入指令滤波器来克服“复杂性爆炸”的问题,构建误差补偿机制以减少因指令滤波器而引起的滤波器误差。利用Lyapunov函数进一步分析控制器的稳定性,以保证闭环系统的所有状态和误差收敛。最后进行数值仿真分析,探讨基于扩展干扰观测器的指令滤波反步控制方案效果。