航天外骨骼辅助系统主要是运用机械结构、传感信息、控制系统、新能源和新开发的材料等技术,搭建航天员的运动和作业辅助系统,它能够主动感知和获取航天员的运动状态和运动趋势,提高航天员在月球表面的舱外活动能力。外骨骼登月助力服是为了使航天员更好地完成月面行走、运输货物等舱外工作。本文主要研究舱外航天服-航天员下肢系统的问题,使将来航天员可以在月球表面更方便地活动,完成各种月球表面任务。(1)从人体生理结构的角度出发,研究人体下肢的行走步态及各关节构成。分析了航天员在月表低重力环境下的一些典型作业任务,根据任务确定了下肢各关节活动所需自由度。并进行了对下肢各关节的电机驱动选型,简单介绍了外骨骼试验平台的一些硬件。(2)对人体下肢采用D-H参数法进行了运动学分析,并通过MATLAB中的Simulink模块验证了正运动学与逆运动学的有效性。后面详细介绍了Preisach模型,研究了单关节阻力矩测量方法,建立了用于测量单关节阻尼力矩的充气棒模型,最后得出了航天员下肢髋关节以及膝关节的迟滞阻尼力矩图。结果表明,一个步态周期内航天服下肢关节阻力对航天员产生了较大阻力。通过该研究,引入宇航服迟滞阻力动力学约束,可以为将来航天服外骨骼控制的实施提供重要的理论基础。(3)先介绍了几种常见的动力学建模方法及特点,并推导出了下肢外骨骼雅克比矩阵方程,得到了关节速度与末端位置微分之间的关系,通过分析不同的动力学建模方法优缺点,最后采用了拉格朗日动力学建模方法,得到了机器人的运动轨迹与关节驱动力矩之间的数学关系,后通过建立人机耦合力矩模型确立了人机交互力矩的计算公式,为后面的控制系统设计奠定基础。(4)在外骨骼机器人与穿戴者之间建立了控制系统模型,对于下肢外骨骼机器人的控制部分,先是研究了PID控制与重力补偿,采用了阻抗控制算法,根据仿真结果显示选取不同的阻抗参数对控制效果有很大影响,经过选择得出一组具有良好控制效果的阻抗参数。对于下肢步态数据,用MATLAB进行了步态数据拟合,对步态曲线进行了ADAMS运动仿真,介绍了一种适用于下肢助力外骨骼机器人的自适应学习方法,将其与阻抗控制相结合,得到了一种变参数阻抗控制方法,仿真表明下肢关节实际位移与期望位移之间的误差很小,表明了系统的跟随精度高,最后通过实验对控制算法的性能以及外骨骼机器人的助力效果进行了验证。