随着社会人口老龄化的加剧,人们开始越来越关注医疗康复问题,外骨骼机器人作为一种可穿戴、提高人体运动能力的智能设备,逐渐被应用于助老助残领域。本文研制了一款面向下肢失能或弱能人群的下肢外骨骼机器人,既可以帮助使用者恢复行走能力,提供助力效果,也可以在使用者行走劳累时变形为电动轮椅,为其节省体力方便出行。本文根据外骨骼机器人的应用需求,从机电系统设计、系统建模分析、控制策略以及相关实验测试这几部分进行论述。外骨骼机器人是一种典型的机电一体化设备,合理的机械结构和稳定的电气系统是其功能实现的基础。本文设计了基于四连杆模型的外骨骼和轮椅之间的变形机构,保证变形过程的安全便捷;采用准双曲面齿轮传动,设计了高集成度、大力矩输出的外骨骼膝关节和髋关节。电气系统需要辅助机械结构实现机器人的控制方法与功能,因此设计了基于ARM+CAN的分布式控制系统。为了提高系统集成度,设计了基于磁编码器的高精度关节角度传感器,以及无线智能拐杖传感系统,配合惯性导航传感器,保证对于系统实时状态信息的采集。外骨骼的建模分析是外骨骼控制的前提,本文对于外骨骼机器人进行了运动学建模、动力学建模与稳定性分析。通过运动学分析得出各关节构件位姿与关节角度间的确定关系;采用拉格朗日法进行动力学建模,建立拄拐人机系统摆动相和支撑相统一的外骨骼动力学模型,并通过ADAMS进行动力学仿真验证模型的正确性;由于系统的低速运动特点,采用静态稳定判据判断外骨骼系统的稳定性,并通过仿真分析行走、变形、轮椅模式下的稳定性。考虑到外骨骼的应用人群为残疾人,因此外骨骼采用被动控制方法。以“安全性第一”为原则,在行走模式下根据系统支撑状态,在基本步态的基础上进行二次规划,保证系统时刻具有足够的稳定裕度;结合梯度下降法规划变形轨迹,使CoG点尽可能在期望范围内,保证安全的同时减轻人体上肢负担;在轮椅模式下通过检测后背姿态角度识别地面坡度,改变四连杆形状使系统重心落在稳定支撑面内。最后对外骨骼系统进行集成测试,基于关节基础性实验,进行人体穿戴实验,分别进行平地行走、变形和轮椅行驶实验,验证外骨骼的功能性和实用性。