外骨骼助力机器人是目前辅助行走类产品中热门的研究对象,本课题以下肢外骨骼助力机器人为研究对象,设计了一款柔性佳,穿戴舒适且符合大众消费水平的下肢外骨骼助力机器人,采用理论分析、建模计算、仿真验证等方式,重点对外骨骼结构设计、运动学和动力学分析、有限元分析和联合控制仿真展开深入研究,本文主要研究工作和成果如下:基于人体下肢结构特性和运动机理,对外骨骼的机械结构进行了仿生设计,设计出了结构尺寸可调节,自由度拟人化且装有缓冲减振装置的下肢外骨骼助力机器人;根据人体步态数据,最终选取Maxon EC 90型盘式电机和Planetary Gearhead GP 52 C型减速器作为主动关节的驱动方式,提出了一种基于嵌入式的外骨骼助力机器人控制方法,能简单高效地实现同步跟随、省力助力的功能目标;最后利用UG对下肢外骨骼人机系统进行三维建模。基于D-H参数法和微分变换法,对外骨骼助力机器人进行正、逆运动学理论分析,得到外骨骼下肢主动关节的运动学特性;基于拉格朗日方程对外骨骼进行逆动力学理论分析,得到下肢主动关节屈/伸运动的力矩解析式,为后面控制方法的选择和设计仿真提供数学理论基础;在ADAMS中建立外骨骼助力机器人刚柔耦合虚拟样机模型,验证运动学和动力学理论分析结果,并着重对外骨骼助力机器人的人机协同性能和缓冲减振功能进行了验证分析,结果表明其人机协同性能良好,并且缓冲减振效果达到设计要求,最大冲击力仅为原来的1/6。使用ANSYS Workbench分别对四种步态的外骨骼机械结构进行了静力学分析,对局部结构进行了优化,使机械结构的安全系数均大于1,保证了结构强度、刚度设计合理;在无预应力和有预应力情况下对站立相和双腿支撑相的下肢外骨骼进行了模态分析,得到结构的固有频率和振型,结果表明外骨骼在负载连接杆位置和髋关节位置的变形位移较大;对外骨骼进行瞬态动力学分析,最大变形和最大应力发生在0.2 s时,安全系数均大于1.5,结果表明在瞬时冲击力的作用下机器人结构满足强度和刚度要求。选择模糊自适应PID控制作为下肢外骨骼主动关节运动轨迹跟踪控制方法;在Simulink中对经典PID控制器、模糊控制器以及模糊自适应PID控制器进行设计仿真,结果表明模糊自适应PID仿真曲线的响应速度更快、超调量更小;基于ADAMS和Simulink创建外骨骼助力机器人联合控制仿真模型,验证了外骨骼下肢主动关节具有较好的关节响应速度特性和运动跟随特性,结果表明所建的机械动力学模型和控制系统模型可以准确的描述外骨骼机器人的工作过程。最终所设计的下肢外骨骼助力机器人结构简单合理,人机耦合性能良好,能够配合老年人完成行走、蹲下/站立等常规动作,使老年人不再承受行动不便的困扰,重获正常行走的能力,在一定程度上减小老龄化对家庭和社会造成的负担,具备很大的经济效益和社会价值。