外骨骼系统作为一种穿戴式机器人装置,与轮式设备相比对复杂地形的适应性更强,因此被广泛应用于军事、救援、工业和医疗康复领域。本课题设计的轻型外骨骼系统主要面向老年人等下肢弱能人群,帮助其增强下肢力量和运动能力,降低行走、起坐等过程中的体力消耗。针对外骨骼的应用对象和使用场合,本文论述了外骨骼系统的设计,包括机械结构的设计及传感与控制系统的设计,控制算法及控制策略的研究和相关实验测试及验证。考虑到使用人群为老年人等下肢弱能人群,本课题外骨骼的设计采用拟人化的方法,保证所需自由度及关节活动空间、输出力矩及关节角速度满足使用要求的前提下,通过使用碳纤维材料和合理的结构设计降低外骨骼整机质量,提高穿戴的便利性和舒适性。稳定可靠、检测精度较高的传感与控制系统是外骨骼系统实现目标功能和具备较好实用性的前提。本文中的外骨骼设计集成了由背部姿态模块、关节角度传感器、力矩传感器和脚底压力传感器构成的传感系统,为外骨骼的控制提供必要的运动信息。使用PC104作为外骨骼系统的控制器,建立了具有主从结构的实时仿真系统,编程效率高,运算速率快。传感与控制系统采用CAN总线的通信方式,具有较高的通信效率和可靠性。针对使用对象为下肢弱能人群,外骨骼系统的控制策略需满足助力和安全两方面的要求。本文使用浮动坐标基作为建立关节空间坐标系的原点,建立了统一形式的动力学模型,使控制力矩的计算不再区分支撑相和摆动相。结合灵敏度放大方法建立了对人机耦合系统的前馈控制,为穿戴者的运动提供助力。基于ZMP和捕捉点理论,在外骨骼控制系统中集成了安全控制策略,在运动过程中实时评估系统的平衡状态,在即将进入动态不平衡状态时为外骨骼系统关节提供修正力矩,帮助穿戴者保持身体平衡,提高外骨骼使用的安全性。最后完成了外骨骼系统的装配和集成,针对外骨骼的使用场合,通过相关实验对其使用性能和文中提出的控制策略进行验证。进行了穿戴外骨骼的平地行走、上楼梯和起坐实验,验证外骨骼的助力性能和前馈控制的有效性和稳定性。进行了平衡实验,对站立和行走状态下的平衡进行了分析,验证所提出的平衡状态评估和平衡恢复策略的有效性。