下肢外骨骼机器人是一种智能可穿戴装置,巧妙地结合了人的智能与机械的动能,能够与人体下肢协同运动,承担人体大部分背部负载,极大的增强了人体的生理机能。与传统运载机械相比,外骨骼机器人突破了行走机械地形适应性差、动作不灵活低等缺点,在军事、物流、救援等行业都具有广泛的应用潜能。外骨骼机器人的控制系统被称为外骨骼的“大脑”,是实现人体意图智能感知、本体高效驱动的重要保障,也是国际学术研究的热点与难点。本课题以下肢外骨骼机器人控制系统为研究目标,结合课题组基于EHA的下肢外骨骼机器人样机,开展了相关研究工作。第一章,阐述了外骨骼机器人控制系统的研究背景与意义,介绍了外骨骼机器人国内外研究现状,重点调研并分析了多款典型外骨骼机器人样机的控制系统及控制策略,提出本课题的研究目标和内容。第二章,介绍了外骨骼机器人系统方案。从仿生学角度,详细阐述了样机机械系统的设计准则和设计指标,完成机器人状态检测传感系统系统设计;利用“四象限法”对关节EHA系统进行全工况运行特性分析,说明系统的工作原理和控制特性;从人机工程的角度,对比分析不同类型人机交互的原理和优缺点,建立了人机交互时延传播链路,揭示了检测位置对交互效果的影响,完成了基于物理型人机交互的交互系统设计;采用基本运动项切分人体运动过程,提出了一种基于步态事件触发的有限状态机描述方法,统一表征人体运动全过程,并完成了基于FSR的步态辨识传感系统设计。第三章,完成了外骨骼机器人控制器硬件系统设计。针对现有控制在控制器在拓扑结构、计算与控制性能、扩展性方面存在的不足,采用了一种基于CAN总线的全网络分布式异构控制器硬件架构,针对课题组样机的控制需求,完成了硬件系统的具体开发。该控制器采用统一总线进行组网,具有强大的可变拓扑性能;采用异构计算体系,实现了控制器的计算性能和控制性能的最大化和最优化;建立了以“组件”为基础的模块化硬件体系,以“功能”为导向实现了控制器硬件的解耦,极大地提高了硬件的复用性和整体控制器硬件系统的可扩展性。在一定程度上,该控制器能够兼容各类机器人系统,具有一定的普适性与开放性。第四章,完成了外骨骼机器人控制器软件平台开发。针对现有控制器软件系统在可移植性、可重构性、功能性等方面的缺陷,提出了一种跨平台层次化控制器软件框架,构建了以硬件抽象层、设备抽象层、任务层等为主的分层控制器软件平台,构建了一种通用的硬件抽象体系,能够快速兼容各类主控芯片,采用“驱动-总线-设备”模型,实现了外设-设备-应用代码的解耦,增强了功能模块的复用性,极大提高了用户的开发效率。深度集成了CANopen协议栈,提供了一种统一、高效的通信模式,为控制系统的快速构建提供了软件基础。第五章,提出了一种基于最小交互力分层人机协同控制框架,建立了基于虚拟弹簧-阻尼系统的人机交互模型,完成人机交互力到运动末端速度的映射,实现了人体运动意图的感知。采用基于事件触发的机器人运动状态描述方法,实现不同运动状态下,运动末端空间速度到关节运动空间速度的转换。提出了一种标准化-模糊步态辨识算法,为机器人运动状态转移提供精准的触发事件。完成了EHA系统参数辨识和PD控制设计,实现了机器人关节运动控制。第六章,开展了外骨骼机器人试验研究。基于上述提出的外骨骼机器人控制器与控制策略,搭建所需的试验平台,开展对应的试验研究,对外骨骼机器人控制系统进行验证。第七章,总结了本课题的研究工作,未来的研究方向和内容进行了展望。