下肢外骨骼机器人作为一种可穿戴机电辅助设备,在医疗、工业和军事等领域拥有广阔的发展前景。考虑到不同穿戴者步行特征的各异性和行走环境的复杂性,下肢外骨骼机器人的结构设计、步态规划和控制方案等方面的研究工作都成为此领域研究的重点。在本论文中,设计了一套8自由度的下肢外骨骼机器人,以楼道作为行走环境,完成步态规划和人机协同控制方案设计,使得穿戴者在无搀扶用具条件下就能完成双腿交替上下楼梯的任务。本文的主要研究成果概况如下:(1)设计了一套拟人化的下肢外骨骼机器人。机器人拥有膝关节、髋关节和盆骨关节等6个主动自由度以及2个踝关节被动自由度,其宽度和高度能动态调整以满足不同体型穿戴者的需求。机器人通过融合多个速度、位置、姿态和力的传感器,能适应平地、斜坡和楼梯等大多数日常行走环境。(2)基于虚拟斜坡法的上下楼梯步态规划方案。针对楼梯环境进行机器人的步态规划时,ZMP(Zero-Moment Point)方程求解困难,造成质心轨迹难以获取。在双脚支撑相还存在ZMP位置难以定义的问题。所提出的方法通过在楼梯上构造一个虚拟斜坡,把楼梯的步态规划转化到虚拟斜坡上,可以同时解决上述两个问题。(3)提出基于屏障能量函数的人机协同控制算法。通过设计一个屏障能量函数,将上下楼梯的任务空间划分为人类区域和机器人区域。在人类区域,穿戴者能主动调整姿态,外骨骼保持被动状态;在机器人区域,外骨骼占主导控制地位,可纠正异常步态。从而有效提高穿戴舒适度和运动稳定性。论文所提研究成果均选取多名受试者进行实验验证,受试者在接受初步的适应性训练后,均能穿戴所设计的外骨骼顺利完成10次上下楼梯行走实验,验证了所提策略的有效性。该策略能有效提高穿戴者对装备的引导效率,并能适应更为复杂的外部行走环境。研究成果为提高下肢外骨骼机器人在复杂环境下的适用性奠定了良好的技术研究基础。