可穿戴式外骨骼将机器人提供的强大机械能量与人的智能相结合,是一种新型机电一体化装置,能够提供身体支撑、运动辅助、机能增强等功能。在当今人口老龄化趋势日益严重、单兵作战能力亟待提高的形势下,外骨骼已经成为机器人领域的研究热点,并可以应用到众多领域。本文以康复运载型下肢外骨骼系统为对象开展设计研究。在人体下肢生理结构与步行分析的基础上,文中给出了具有10自由度的系统结构设计,根据康复运载这一侧重点进行了稳定步态规划与轨迹跟踪控制研究。主要研究工作如下:1)下肢外骨骼系统结构设计。归类总结分析现有研究成果,根据人体步行特性确定系统功能实现所需的自由度数目及其配置,完成系统的结构设计。2)支撑腿与摆动腿运动学、动力学模型的建立。由步行分析得出下肢外骨骼的混杂系统特性,从而分别对支撑腿和摆动腿进行运动学和动力学分析。运动学分析中采用改进的D-H方法,包含了正、逆运动学的求解验证。在此基础上,通过拉格朗日方程法得出了动力学模型。结合切换系统描述的离散事件动态特性,建立完整的外骨骼系统混杂模型。为模拟真实环境并简化混杂系统数学模型的构建以及后续控制器的设计,采用动力学仿真软件ADAMS建立了下肢外骨骼系统的虚拟样机。3)稳定步态的规划。运载型这一功能特点表明外骨骼占据主导地位并带动穿戴者实现正常步行,使得稳定步态规划成为重要研究内容。对系统步行稳定的分析采用的是零力矩点(ZMP)理论,即稳定步行需保证ZMP始终位于支撑域内。根据人体步行周期的分析,确定了步态规划的关键时刻约束条件,通过三次样条插值获得参数化的连续轨迹。结合稳定裕度计算,设计了遗传算法优化步态参数所需的目标函数。获得的稳定连续步态经逆运动学可得出预期关节轨迹,并通过ADAMS动力学仿真验证其稳定性。4)轨迹跟踪控制的研究。稳定步行的最终实现需要各关节自由度对预期轨迹进行精确跟踪。基于动力学分析所得系统模型的数学描述设计了计算力矩加PD反馈控制器,针对无法获得精确数学表达的虚拟样机被控对象设计了无模型思想的TDE-iPID与TDE-iPIDESMC控制器。TDE-iPID采用时延估计来获得系统的极局部模型,通过iPID反馈形成控制回路。在TDE-iPID基础上建立时延估计误差模型,利用等效滑模控制(ESMC)进行估计误差补偿。通过MATLAB/Simulink与ADAMS的联合仿真分析验证了 TDE-iPID轨迹跟踪控制策略的合理有效性,以及ESMC对跟踪结果的改善。