外骨骼型下肢康复机器人是一种用于辅助因脑卒中导致偏瘫或失去运动能力的患者进行下肢康复训练的医用机器人,用以代替传统康复理疗师进行的人工康复训练,给患者提供更精确、更客观、更有效的康复过程。随着人口老龄化和偏瘫患者的增多,如何设计更具柔性的下肢康复机器人已成为康复技术领域研究的重点方向。本文主要从下肢康复机器人的结构设计、驱动方式和控制方法三方面进行了研究,具体的研究工作如下:1)深入分析人体下肢解剖结构和步态运动机理,确定下肢康复机器人结构自由度和关节运动角度指标,并依据仿生学原理提出相应的结构设计目标。通过OpenSim人体仿真软件获得标准步态离散数据,在Matlab中对其进行数据拟合后用于动力学仿真和关节轨迹跟踪,为后一步设计和关节运动控制提供理论依据。2)对比电机、液压和气压驱动的优缺点,选择新型柔性驱动器——气动肌肉形成对拉机构驱动机械腿关节转动。在Solidworks中建立下肢康复机器人结构三维模型,并针对支撑、传动、连接、安全限位等要求进行详细的研究设计。首先采用D-H法建立人机系统运动学方程,然后应用Lagrange法从支撑相和摆动相建立动力学模型,最后利用Adams动力学软件仿真康复机器人带动患者下肢进行正常步态的过程,以验证模型的正确性,并根据仿真的力矩曲线完成气动肌肉的选型。3)通过解析法建立单根气动肌肉的静态数学模型,使用高速开关阀控制气动肌肉腔内压力,并分析充放气过程中质量流量方程和气动肌肉内部的压力动态方程,最后联合单关节动力学模型建立系统模型。确定元件和系统技术参数,根据特定的控制量及系统中的数学关系将模型转换为单输入单输出系统,对建立的系统模型进行线性化处理,得到可用于后续控制器设计的系统状态方程。4)为实现患者被动康复训练,采用滑模变结构控制算法完成关节角度的轨迹跟踪。以阶跃响应和正弦信号为输入,在Simulink中仿真验证滑模控制具有优良的轨迹跟踪性能。针对控制量抖动问题,结合模糊控制方法改善了系统动态性能,通过三组不同模型验证了系统对外部参数变化和干扰具有较强的鲁棒性。最后将三关节的函数曲线作为输入,从轨迹跟踪、误差及控制量三方面验证控制器对标准步态轨迹跟踪的精度和响应符合控制要求。