作为一种新型人机一体化装置,可穿戴型下肢外骨骼将机器人的强大机械动力与人的智力相结合,在增强人体机能的同时还能额外为身体提供动力。凭借着优越的辅助特性,下肢外骨骼在医疗、军事等领域有着广泛的应用,成为近年来机器人领域的研究热点。本文以被动模式下肢外骨骼系统作为研究对象,在分析人体下肢机理与步行模式的基础上,围绕系统结构设计及被动模式时外骨骼的运动特点,重点展开步态规划与轨迹控制方面的研究。研究的主要工作如下:1下肢外骨骼系统结构设想。归纳现有文献资料的研究成果,结合人体步态特征确定外骨骼系统自由度的配置及其他相关细节,完成整机结构的初步构想。2运动学分析与动力学建模。根据步态相位分析得到系统的步态特性,采用机器人运动学中的改进型D-H表示法,同时验证正、逆运动学的正确性。以此为基础,通过拉格朗日方程法得出动力学模型,分别对支撑阶段和摆动阶段进行建模。为了给后续步态规划提供合适的应用平台,利用ADAMS动力学仿真软件对下肢外骨骼系统进行三维建模。3参数化的步态轨迹规划。被动模式时,人机系统的特点就是外骨骼占据主导带动人体步行,此时合理规划外骨骼的类人步态是关键。根据人体行走模型的分析来确定行走过程的约束条件,采用三次样条插值保证参数化轨迹的连续性。获得的参数化轨迹经逆运动学得到预期关节轨迹,之后利用ADAMS动力学仿真验证其合理性。4基于自抗扰技术的轨迹跟踪控制。规划所得的轨迹由于系统模型与外界的影响,常常不能实现精准的跟踪控制。针对此问题,基于动力学分析所得的动力学模型设计了一种自抗扰控制策略。将系统的未建模动态、系统间动态耦合和外部扰动视为总干扰,设计扩张状态观测器进行估计,采用前馈方式进行补偿,从而抑制干扰的影响。通过设计的误差反馈控制器,实现对期望步态轨迹的跟踪控制,并给出扩张状态观测器有界以及闭环系统稳定性的证明,最后在MATLAB/Simulink中验证所提控制策略的有效性。