目前,外骨骼机器人因其在军用、民用、康复等领域都具有重大积极的作用,已经成为机器人发展的一个热门方向。外骨骼机器人领域国外的发展要优于国内的发展速度,这也激励着我们不断创新。本课题内容为柔性膝关节外骨骼设计和控制算法研究。通过实验室测量设备获取关节信息,作为设计基础,选用SEA驱动器为系统提供柔性,具有高力控制精度、低输出阻抗和高抗冲击能力的特性;基于减少人体代谢能量消耗的思想,将外骨骼的驱动机构和执行机构分开放置,将驱动部分放置于人体后背更靠近人体质心的部位,使用鲍登绳作为传动方式;结合人体下肢的身材数据,确定外骨骼的基本尺寸,同时考虑到关节错位、身材兼容、安全性和舒适性的前提下,设计出符合要求的柔性膝关节外骨骼机器人。针对鲍登绳传动系统中输出力和输入力之间存在的滞后现象做出了分析,建立了两者之间的物理模型,对模型中需要辨识的参数,使用粒子群寻优算法进行参数辨识。使用双绳方案通过测量内绳和护套之间的位移差解算出鲍登绳的弯曲角度,将解算结果导入到力传递模型中用于参数辨识。为使输出力达到预定值,设计了前馈补偿算法,用以对摩擦力进行补偿。针对人体-外骨骼系统之间产生的人机交互力进行控制设计,通过阻抗补偿算法,减少外骨骼系统的阻抗,从而对人体产生更好的助力效果。针对人体在步行过程中两种步态的变化,分别设计了对应的控制算法。针对定步长步态,主要采用阻抗补偿加PID控制的控制算法,上层采用小腿矢状面速度过零点确定助力时机,保证外骨骼助力的准确性,提高力控精准性。针对人体的变步长步态,采取了阻抗补偿加导纳控制的方法,通过位移补偿,经过无源性控制器,将位移补偿转化为力补偿给电机端,从而保证减少人机之间因为位移变化而产生的不必要的人机交互力,提高人机交互安全性。使用者可以根据自身的运动状况灵活切换两种控制方法,获得最好的助力效果。