外骨骼是一种能够增强人体力量与耐力的机械装置,并联穿戴于人体外侧,通过陀螺仪、关节电位器或编码器、人机交互力及足底力传感系统等实时检测外骨骼本身的位姿与人体的运动意图,通过电机、液压等方式驱动各关节,实现与人体的协调运动,并在这个过程对人体的运动进行助力,达成增强人体力量或辅助人体运动的目标。人体负责发出运动意图并保持运动稳定,外骨骼则根据人体的运动意图做出与人体协调的动作并承担负载,通过这种方式将人体的“智力”与外骨骼的“体力”结合到一起。目前,外骨骼具有诸多的应用方向,例如：在助老助残领域,可以帮助老年人或残疾人完成行走、上/下楼梯等日常行动,提高他们的生活质量；在医疗领域,可以辅助医护人员对脑卒中或者肢体伤病患者进行更高精度、更高可重复性的康复训练,一方面可以极大减轻医护人员的工作强度,另一方面可以根据患者的恢复情况及时调整外骨骼的控制策略以适应不同的训练模式；在负重搬运与单兵系统领域,可以帮助工作人员或者士兵背负或携带更多的通信设备、施工器材或者武器弹药等进行快速的行进,同时降低因为巨大的体能消耗造成的人员受伤或者非战斗减员等人力资源损失。本文的研究目标即为士兵或救援人员等负重作业者设计一种能够配合使用者完成行走、蹲下/站起、上/下楼梯等常见运动的下肢外骨骼系统。要求方便穿卸,尽量减少传感器的数量以降低系统复杂性,不得在人体上布置或粘贴传感器,对使用者的体型不敏感。为实现该目标,本文在如下5个方面进行了研究：1.进行了基于人体测量学的人体下肢运动学特性的研究。在课题组自行搭建的基于标记点空间位置捕捉与三维坐标重建的图像采集测量系统上进行了不同步速、不同负重的行走；上楼梯；蹲下、站起等步态测量实验,通过实验数据总结了人体下肢各关节在上述各步态下的运动学特性。2.在人体下肢运动学分析的基础上,对满足各常见运动要求的下肢外骨骼各关节所具有的自由度进行了分析,并进行了下肢外骨骼的本体机构(不含驱动系统)设计。建立了所设计的下肢外骨骼本体机构的D-H运动学模型,通过运动学分析确定了外骨骼与人体的连接方式。3.通过对比典型外骨骼动力学建模方法,提出了下肢外骨骼“二状态”动力学模型,即将下肢外骨骼的动力学状态分为“无摆动腿”与“有摆动腿”两种,采用达朗伯-拉格朗日方程对这两种状态分别进行建模。通过该模型,控制系统仅需检测外骨骼各关节角度信号即可求得各部分的惯性力、系统的足底力以及ZMP等信息,有效地减少了所需的传感器数量。此外,模型中消除了本不存在的支撑足足尖主动驱动自由度的影响,并通过MATLAB与Adams对比验证了模型正确性。利用该模型完成了不同负重、不同步速；上楼梯；蹲下、站起等常见运动的下肢外骨骼动力学分析。4.根据下肢外骨骼动力学计算结果,对满足常见运动要求的下肢外骨骼各关节的驱动特性进行了分析,在此基础上,模仿人体下肢肌肉骨骼系统为下肢外骨骼各关节的各主动驱动自由度配置了集成液压-套索驱动系统,并进行了优化计算。为各关节的非主动驱动自由度配置了弹簧被动驱动系统,并进行了详细的设计计算。最后,对装配了驱动系统的下肢外骨骼机构进行了关键部位的ANSYS受力校核,以保证结构安全性。5.在对国内外典型外骨骼控制方法的分析基础上,针对摆动腿提出了基于踝关节处人机位姿误差的逆运动学运动规划与基于动力学模型的PD控制策略,针对支撑腿提出了基于穿戴者足底力CoP与外骨骼ZMP之间误差的模糊运动规划策略。控制系统通过足底力信号采用模糊算法识别每条腿的运动状态,并采用相应的控制方法。对下肢外骨骼的传感器系统进行了设计与标定,包括躯干姿态传感器、关节电位器、踝关节处人机交互传感器、鞋垫式足底力传感器。最后,分别进行了摆动腿运动控制实验与支撑腿运动规划实验。