下肢康复外骨骼机器人是一种可穿戴式机械动力装置,可帮助下肢运动功能障碍患者进行康复训练和助力行走,从而缓解紧张的医疗资源和提高患者生存质量。现有的下肢康复外骨骼大多采用跟踪预设步态的被动控制策略,这种控制策略使下肢外骨骼呈现高刚度,当人机运动不协调时会对人体下肢造成牵扯甚至伤害。为降低下肢外骨骼呈现的刚度,论文搭建了下肢康复外骨骼并对柔顺控制策略展开了研究,主要内容如下:首先对人体下肢运动机理展开了研究。通过对下肢生理结构的分析明确了各运动关节的自由度组成及各自运动范围,对直立行走过程进行了步态相位划分,设计了基于姿态传感器的步态关节轨迹采集系统并对直立行走过程的髋膝关节轨迹进行了采集与分析。搭建了下肢康复外骨骼机器人系统。结合人机工程学和拟人化设计理念,设计了下肢外骨骼本体结构,其中将髋关节和膝关节配置成以电机-谐波减速器组合作为动力单元的主动关节,将踝关节配置成弹簧-阻尼被动柔顺关节。对实现运动控制所需的电机驱动系统、主控制板、传感器及采集板进行了设计。为减少系统布线,提高控制系统的稳定性和下肢外骨骼的美观度,设计了基于CAN总线的分布式控制系统。建立了下肢康复外骨骼运动学及动力学模型。基于DH规则建立了外骨骼各连杆附加坐标系,推导了前向运动学模型,得到了足底末端位姿和关节角度之间的转换关系。在前向运动学的基础上推导了下肢外骨骼雅可比矩阵,实现将外骨骼连杆处受到的人机交互力转换为关节扭矩。使用拉格朗日法分别建立了外骨骼单腿支撑相和双腿支撑相的动力学模型,为柔顺控制策略的实现奠定了理论基础。在上述工作的基础上展开下肢康复外骨骼柔顺控制策略的研究。论文在大小腿人机连接处安装了交互力传感器,引入了弹簧-质量-阻尼模型,设计了导纳柔顺控制器根据交互力的值修正预设步态轨迹,针对底层控制设计了基于动态力补偿的关节角度控制器实现关节对修正轨迹的跟踪。经实验表明,载人条件下髋关节平均绝对跟踪误差为0.69°,膝关节平均绝对跟踪误差为0.67°,引入的导纳柔顺控制器使大腿连接处的人机交互力平滑度增加48.6%,小腿处的人机交互力平滑度增加27.7%,提高了人机连接处的柔顺性。