外骨骼机器人是一种穿在人身上辅助穿戴者运动的特殊机器人,被广泛应用于医疗康复领域。随着人口老龄化问题日益加重,国内外研究者开始注重外骨骼机器人的研究,希望通过外骨骼来辅助老年人的日常行动以及帮助有运动障碍的老年人进行康复训练。本文主要研究对穿戴者髋关节进行助力的外骨骼系统,研究内容包括外骨骼硬件系统、人机接口和控制算法。本文首先搭建了一套髋关节助力外骨骼的硬件系统。根据髋关节的运动特点,对外骨骼关节驱动的电机、轴承等关键器件进行了选型,使用铝合金、碳纤维作为外骨骼连杆和连接件的材料来减轻整体重量,并对外骨骼的电机驱动系统、电源系统和通信系统进行了设计。在外骨骼人机物理接口上,本文设计了一款柔性可控气囊单元用于可靠地连接穿戴者和外骨骼。气囊单元可以分为硅胶气囊和传感器两部分:其中气囊使用硅胶材料制作,通过充放气来调整自身的形态来适应人体不规则的表面,在保证人机之间可靠连接的前提下保证穿戴者的舒适性;传感器基于液态金属变电阻的原理制成,通过将液态金属嵌入硅胶中,当气囊产生形变时,通过液态金属的电阻变化来检测气囊的形变量与形变方向。作为外骨骼控制的基础,首先基于拉格朗日法对外骨骼进行了动力学建模,并对模型中数识别算法和外骨骼的关节控制算法进行了理论分析,并在仿真环境中建立了外骨骼动力学模型和关节控制算法模型,验证了关节控制算法的可靠性。最后基于零力控制、中枢模式发生器和阻抗控制算法提出了一套外骨骼助力控制策略,并在仿真平台验证了其可行性。