随着社会的进步、科技的发展,外骨骼作为一种结合机械动力和人类智能的新兴机器人,在军事、救灾、医疗等领域的应用越来越广泛。其中,通过下肢外骨骼帮助因神经损伤等原因导致瘫痪的患者进行站立或行走,辅助患者沿着指定步态轨迹进行康复训练已成为医疗领域的迫切需求。然而,外骨骼的机械机构导致其具有复杂的非线性动力学模型,并且各关节间存在动力耦合,难以实现各关节通道的独立控制,严重降低了下肢外骨骼的轨迹跟踪性能。因此,本文提出一种新颖的解耦控制结构——基于质量和重力的(M-G)模态空间滑模解耦控制,不仅能够实现关节解耦还能够减小滑模控制器的抖振。本文主要对液驱下肢外骨骼的解耦控制策略开展研究,主要研究内容如下:1.分析人体下肢结构及运动特性,探明下肢结构参数和关节运动范围,进而确定下肢外骨骼关节自由度和运动范围,完成外骨骼本体结构设计方案。2.基于机构连杆几何关系建立外骨骼运动学模型;基于拉格朗日方程建立外骨骼动力学模型;基于电液伺服理论建立阀控非对称缸模型;并基于此建立液驱下肢外骨骼系统的整体模型,为模态理论研究提供理论基础。3.建立振动力学方程,分析外骨骼动力耦合本质特性,构建外骨骼系统的M-G模态空间结构,建立M-G模态空间和物理空间的映射关系,并分析M-G模态空间各通道解耦特性,研究物理空间解耦条件,分析M-G模态通道与物理通道控制性能的联系。4.研究M-G模态空间控制器设计方法,考虑名义模型误差抑制和模态通道跟踪精度提高的综合鲁棒性能,提出M-G模态滑模控制方法,并利用李雅普诺夫理论分析M-G模态滑模控制结构的稳定性。5.建立基于x PC Target的外骨骼样机控制系统,进行以下实验验证研究:对M-G模态空间的解耦性质、物理空间解耦条件以及M-G模态空间与物理空间控制性能关系进行验证;对提出的M-G模态滑模控制提高轨迹跟踪性能和抑制抖振的有效性进行验证。