在我国,有上千万人长期承受着由于行走功能障碍而带来的生理与心理的痛苦,例如脑卒中患者、脊髓损伤患者、以及老年人等。下肢行走功能障碍人群在日常生活中需要依靠辅助装置来满足基本活动需求,减轻并发症,提高生活质量。但是,支架、矫形器等辅助站立装置不能实现肢体的运动功能,拐杖、轮椅等辅助运动设备以移动功能为主,无法实现“行走”感。可穿戴外骨骼机器人是一种穿戴于人体肢体或躯干外部,与人体肢体协同运动,为人体提供支撑、为肢体提供助力、辅助肢体运动,从而提升人体机能的交互式机器人系统。近10年来,大量研究瞄准辅助医疗领域,推动助行外骨骼机器人成为当前国内外研究的热点方向之一。然而,现阶段的助行外骨骼机器人仍存在本体繁重、操作复杂、步态固定等若干问题,离真正实用化尚存在一定距离。本文面向下肢行走功能障碍人群日常行走辅助的基本需求,研制一款轻便型的助行外骨骼机器人,聚焦研究安全自然的步态生成方法,以理论研究结合实验测试的方法,开展助行外骨骼机器人的系统综合设计、在线步态生成方法、步态自然稳定调整策略等方面研究内容,提升助行外骨骼机器人的适应性与实用性。首先,明确轻型化、纤薄化的设计目标与辅助行走功能障碍人群舒适、稳定直立行走的设计需求,结合人体生物力学分析,围绕驱动关节选择、人机相容性构型、功能与性能总体参数设计等内容,制定模块化轻便型助行外骨骼机器人的总体设计方案。模块化总体方案具有便携性强、易穿脱,互换性与维护性强等优点。基于模块化设计思路,开展助行外骨骼机器人的腰背模块、小腿模块以及大腿模块等机械系统设计,设计驱传动单元模块并分析关节驱动性能。开展控制系统、伺服系统、感知系统、能源系统以及人机交互系统等电气子系统一体化设计。实现助行外骨骼机器人系统样机质量小于10.15kg。面向轻便型助行外骨骼机器人系统,建立运动学与动力学模型。设计自下而上为关节运动控制、轨迹生成器和人机交互层的人机系统运动控制框架,功能划分清晰、层次独立且可柔性更改。研究关节位置闭环控制方法。设计基于有限状态机(FSM)的运动生成方法,定义4种基本运动状态与7种预设参考运动,建立基本运动状态与参考运动之间的逻辑关系与控制流程。基于力矩补偿跟随控制方法采集并设计典型参考运动轨迹,降低原始误差。设计无线手操作盒、功能性拐杖、虚拟步态界面等多种人机交互器。实现助行外骨骼机器人稳定的运动控制与轨迹生成。在基于FSM的运动生成方法的基础之上,以步速、步距及步高为特征参数,对参考运动轨迹进行参数化,并提出基于3个特征参数的步态轨迹在线调整方法,同时分析特征参数之间的关联性,建立步距系数与步高系数间的关系方程,提升步态轨迹的适应性。分析拐杖姿态与下肢运动之间的耦合关系,揭示行走过程中矢状面内拐杖摆动角度与步距具有相关性。提出基于拐杖触地摆角的外骨骼运动状态切换策略与步态在线调整方法,并利用实验设计运动状态触发边界。定义人机耦合系统的稳定性判据与稳定裕度,分析人机系统起坐过程与连续行走的稳定性,修正运动状态切换策略的触发边界,改进步态在线调整方法,将行走过程的最小稳定裕度提升50mm,并提出面向稳定性的外骨骼运动生成策略,实现安全稳定的步态轨迹在线生成与调整。针对研制的轻便型助行外骨骼机器人系统样机以及提出的步态在线生成与调整方法。开展基于FSM的外骨骼参考轨迹运动实验、行走步态在线参数化调整实验、基于拐杖触地摆角的行走步态在线调整实验与运动状态触发实验、以及连续行走在线调整的步态稳定性实验。结果表明轻便型助行外骨骼机器人系统样机能够稳定可靠的完成系列实验,穿戴与操作方便;相关步态在线生成与调整方法正确可行;步态在线调整方法对助行外骨骼机器人的连续行走稳定性有明显提升。