外骨骼是一种并联于人体外侧,用于助力、助行或者辅助康复治疗的装置。作为助力应用,外骨骼可以增强穿戴者的肢体能力或者直接承担外负荷,从而可以有效的降低人体能量消耗,可作为一种远距离负重行走的助力器械应用于军事;其助行或者辅助康复治疗功能可以帮助肢体功能不健全的人进行正常行走,或者完成搬运物品的动作。本研究开发的外骨骼装置旨在进行户外医疗康复或老年人助力,为了避免双下肢外骨骼的笨重,本研究主要针对单下肢外骨骼。膝关节外骨骼国外已有研究机构在研究,在国内仍然在理论研究阶段,总结发现:国外膝关节外骨骼的驱动较为笨重,或者开发成本昂贵,故本研究设计制造了此款轻便的膝关节外骨骼装置。本文将从以下几个方面进行介绍:1.机械结构方面。此款新型膝关节外骨骼设备结构主要包括:机械本体和液压阻尼器。膝关节旋转由液压阻尼器驱动,为了进一步满足穿戴需求和轻便要求,设计制造了两版外骨骼机械本体和阻尼器。作为外骨骼的主要元件-液压阻尼器,采用ADAMS软件进行行走仿真分析以及运动学和动力学分析,最终选取合适的阻尼器参数。2.控制系统。控制器采用STM32单片机,设计制作了膝关节外骨骼信号采集硬件结构。通过采集一组足底压力信号和一个膝关节角度信号,判断当前人体的行走姿态,再根据不同姿态,控制阻尼器的油口大小,调节膝关节处的阻尼力。3.算法开发。在外骨骼机械结构的基础上,开发反演控制算法进行膝关节角度的控制,可以让穿戴者步态特征更接近标准步态。为了验证其算法的效果,将反演控制,模糊PID算法和PID进行比较,发现在阶跃和正弦信号下,反演控制算法有更好地跟随效果。其次,进行MATLAB和ADAMS软件的联合仿真,仿真结果表明,反演控制算法在此款膝关节外骨骼系统中,具有更好的辅助康复作用。4.为了进一步测试外骨骼装置,进行穿戴测试和行走测试。穿戴后舒适度良好,可以满足上下楼梯,站坐和平地行走等不同姿态的膝关节角度要求。然后进行外骨骼的平地行走,将编码器获取的膝关节角度曲线和标准角度曲线对比分析,证明逻辑控制效果良好。