外骨骼作为一种新兴的可穿戴机器人,在对人体的进行保护的同时,辅助人体运动、肌肉神经康复以及协助人类完成各种艰难苛刻的任务。尤其在康复外骨骼的应用中,坐起运动是康复运动中最主要的运动之一。在人体穿戴外骨骼时,了解外骨骼的助力机理以及设定合理的助力大小是非常重要的。设计一个舒适且有效的助力机器人的关键和难点在于如何根据人体-外骨骼动力学模型设立外骨骼的评价指标计算外骨骼的期望助力大小。然后设计相应带有自抗扰力跟踪控制器,使助力机器人在不同人群中都有较好的力跟踪特性。本文主要研究了康复外骨骼在坐起运动中的问题,研究问题包括了膝关节人体-外骨骼动力学建模、能耗与舒适度评价指标、膝关节力期望计算以及自抗扰力跟踪控制器设计等。仿真及实验结果证明,该分析可以阐释助力外骨骼在助力过程的基本原理,外骨骼助力效果以及存在的问题,主要取得了以下研究成果:1、构建人体膝关节-外骨骼混合系统模型。该模型主要包含了两个部分:1、构建人体膝关节、外骨骼的拉格朗日动力学方程以及非线性交互性模型。构建这个模型是希望了解在患者穿戴外骨骼过程中,外骨骼与人之间具体交互过程的基本原理,更加直观的了解人体与外骨骼之间不同作用力对混合系统运动产生的影响。为后续外骨骼节能和舒适度评价指标、设计期望力规划奠定理论基础。2、将电机、滚珠丝杠以及交互力模型视作一个整体的开环系统,并分析推导出该开环系统的状态空间方程,了解整体人体膝关节-外骨骼混合系统的内部强非线性的组成。在这个开环系统中,人体膝关节角度作为一个外部干扰量引入。为后续设计自抗扰控制器提供理想的被控对象。2、设置了一个仅与人体状态相关的外骨骼评价指标,其包含能量消耗以及舒适度两个评价内容。其中,能量消耗由人体膝关节输出力矩的平方表示;舒适度则由交互力、绑缚面积以及耐压灵敏度的组合表示。在任意已知的运动状态以及外骨骼助力值的情况下,该评价指标能用来评判外骨骼的助力效果。基于已提出的外骨骼评价指标以及已经构建的人体膝关节、外骨骼的拉格朗日动力学方程以及非线性交互性模型,可以得到在任意已知外骨骼运动状态下的最有期望助力。最后分析不同参数(比如外骨骼质量、绑缚位置、绑缚面积以及绑缚处的耐压敏感度等)的变化,对外骨骼最优期望力规划以及外骨骼评价的影响。3、根据已有的人体膝关节-外骨骼混合系统的开环系统,设计相应自抗扰控制器。该控制器的目的在于观测并补偿掉系统的非线性项以及干扰项,最终通过控制滚珠丝杠的位置来控制电机的负载力矩,从而使电机的实际输出力矩跟踪上外骨骼的最优期望力矩。其方法是设计外骨骼期望助力的过渡过程、设计跟踪微分器用于跟踪实际外骨骼输出力矩以及提供可用的微分信号、设计扩张状态观测器,观测系统中的非线性项以及干扰项、设计基于动态补偿线性化的非线性控制器,最终实现外骨骼力跟踪控制。4、搭建了相应的MATLAB仿真平台以及外骨骼实物平台。其中包含电机模型、非线性交互模型、最优期望力规划模型、过渡过程模型以及扩张状态观测器模型等。并完成人体膝关节-外骨骼混合系统的阶跃输入相应实验,直观了解系统的强非线性;完成基于基于自抗扰控制器的力跟踪实验,并与传统PID控制器实现的力跟踪实验进行对比,使力跟踪过程无震荡且无超调的跟随上期望助力,展示自抗扰控制器在面对强非线性系统时的优越性能。并将上述实验应用在实际外骨骼中,有较好的力跟踪效果。