众所周知,通过医务人员的护理和辅助训练来改进患者下肢运动功能是相对安全有效的途径。但是,由于人口老年化问题,患者的增速远远超过为全部运动功能障碍的患者数提供医务人员进行辅助功能训练的能力。基于机器人系统与生物医学工程原理的外骨骼机器人的出现为广大患者带来了福音,能帮助患者在无人照顾情况下进行一定程度的有效康复训练。通过外骨骼机器人康复训练使患者下肢能像健康人一样运动或行走是设计下肢康复机器人的目的。因此,可以反过来将人体的步态运动特性经过优化处理后用于下肢康复机器人的仿人控制器设计和实时训练中。如何对捕获的运动特性进行有效处理,设计仿人控制器,并将其应用于下肢康复机器人实时辅助训练中,已经成为现阶段下肢康复机器人设计和控制的一个研究热点。因此,本文基于人体的运动机理进行下肢外骨骼机器人动力学建模和控制系统设计展开相关研究。主要研究内容包括:(1)基于人体运动特性的下肢动力学与运行学分析。本文采用NOKOV三维红外式动作捕捉设备和三维测力平台设备进行人体的步态运动数据和足底力数据采集。由于采集过程中受到外界扰动的影响,故利用最小二乘法和最小滤波法对数据进行滤波处理。由于处理后的数据无法直接应用于下肢外骨骼机器人作为理想参考运动,因此通过对高斯函数、傅里叶函数和正弦函数三种方法的拟合系数和均方根误差对比与分析,采用傅利叶函数进行曲线拟合,拟合后的曲线作为下肢外骨骼机器人控制系统的参考期望运动轨迹,并对采集到的数据进行人体运动学及动力学特性分析。(2)仿机器人机构的下肢动力学建模。本文选取下肢外骨骼机器人的左腿进行研究,通过模仿多连杆机器人结构,利用Lagrange方程推导出下肢外骨骼机器人动力学模型,详细分析其动态特性,通过系统的线性化特性将下肢外骨骼机器人模型的已知参数和未知参数进行分离,最终得到系统的线性化模型。(3)基于人体运动机理的下肢外骨骼机器人控制系统设计。结合人体下肢的运动机理特性对外骨骼机器人控制系统进行研究,本文提出基于人体舒适度的线性反馈控制、基于人体舒适度的自适应控制、基于人体步态数据的鲁棒自适应PD控制三种方法。基于人体舒适度的线性反馈控制方法主要以人体穿戴下肢外骨骼机器人舒适度为目标函数,对非线性系统进行线性化。针对机器人参数不确定问题,采用基于人体舒适度的自适应控制方法进行解决,通过设计的自适应率可以对系统惯性参数进行很好的辨识。针对系统的外界干扰及输入力矩过大的问题采用基于人体步态数据的鲁棒自适应PD控制解决,通过仿真结果可知在系统误差和扰动上界已知的情况下下肢外骨骼机器人控制系统仍然具有较好的稳定性,且改善了前两种方法控制输入力矩过大的问题。通过相似性函数验证机器人运动轨迹与人体运动轨迹相似极高,客观表明人体穿戴过程中的舒适性。稳定条件都通过Lyapunov定理进行了推导,同时讨论了轨迹跟踪特性。(4)基于实验数据的下肢外骨骼机器人控制系统仿真验证。为了验证提出理论的有效性,本文将采集到的下肢运动特性作为下肢外骨骼机器人控制系统的参考期望运动轨迹,进行了基于实验数据的下肢外骨骼机器人控制系统仿真验证。