外骨骼机器人(Exoskeleton robot)是一种基于仿生学,根据人体骨骼功能所设计的机电一体化系统,该系统主要包含可穿着在人体上的机械本体、动力装备、传感系统和驱动装置。外骨骼机器人可以给穿着者提供助力,有效提高穿戴者承载负重的能力,在军事、医疗、商业等方面均有着广阔的应用前景。然而,现有的外骨骼机器人行走的步态轨迹还不能很好地契合人体运动的规律；外骨骼机器人及其控制系统稳定性不够、控制精度不高的问题还普遍存在；外骨骼机器人及其控制系统既要求小型化轻量化,同时还要能够提供大功率驱动的矛盾还没有合适的解决方案。这些问题限制着外骨骼机器人的进一步发展,所以对外骨骼机器人运动步态以及控制系统的研究具有重要的理论意义和实践价值。本文以外骨骼机器人为研究对象,从步态设计、运动控制和高性能驱动三个方面展开研究,主要内容如下：(1)为使得外骨骼机器人运动轨迹能够契合人体行走的客观规律,研究了外骨骼机器人运动步态。从仿生学角度对人体行走步态进行了研究,设计了基于多种传感器的柔性外骨骼机器人多通道信息采集系统,通过大量实验,获得人体行走时各关节角度与足底压力变化数据,采用邻近算法,通过MATLAB提取人体行走的一般规律,判别人体步行轨迹所处的相位,并将其作为机器人行走步态的设计依据,达到机器人行走步态符合人类运动规律的效果。(2)从基本的机器人理论出发,对外骨骼机器人及运动控制方案进行了研究。基于倒立摆模型对外骨骼机器人运动学进行了研究,通过建模和仿真,获得了前向运动中机器人左右腿各关节的变化轨迹,从机器人理论角度论证了外骨骼机器人机械结构设计的合理性；对外骨骼机器人建立了动力学模型,并进行了动力学仿真,计算得到了每个关节驱动装置所需要的驱动力数据,为动力装置选型提供了依据。(3)为解决动力装置小型化的同时无法提供大功率驱动的矛盾,采用直接驱动直线电机(Direct Drive Linear Motor, DDLM)作为外骨骼机器人各关节的动力装置。建立了电机动力学模型,设计了带前馈补偿的PID(Feedforward Compensation PID, FCPID)控制器,来实现控制系统稳定精确运行的目标,搭建了FCPI[)控制方案整体图,结合MATLAB仿真平台,设计了外骨骼机器人运动控制测试平台。利用离线步态数据进行了无干扰和有干扰情况下的运动轨迹跟踪实验,实验结果表明,该控制系统能够快速稳定地跟踪步态运动轨迹并保持较高的跟踪精度。