● 摘要
外骨骼是一种穿戴式的仿生机器人装置，属于典型的人机一体化系统，可以给使用者提供支撑、保护和助力助行等辅助，其中：下肢外骨骼助行机器人是一种将人的智能判断与机械的动力承载结合在一起的可穿戴式装置，根据人体下肢骨骼结构进行拟人化机构设计，模拟正常人体下肢步态，帮助运动功能障碍的人群恢复行走能力。
本文针对康复领域对助行辅具的发展需求，在充分调研现有外骨骼发展特点及技术趋势的基础上，设计出穿戴式下肢外骨骼辅具的机械结构，制定出基于模糊PID混合控制的控制方案，并搭建出实验平台，完成了性能测试实验，为进一步优化外骨骼辅具提供方法、方案和实验数据参考。
在分析人体下肢关节的自由度、关节活动度以及人体行走步态的基础上，设计了下肢外骨骼仿生机构和结构。为满足加工工艺需求，对结构进行了改进，并利用SolidWorks COSMOSXpress静态应力插件完成了强度分析，结果表示中空腿杆薄壁超过了许用应力强度，进一步增厚了结构薄弱腿杆零部件的尺寸。
通过下肢外骨骼运动学分析及仿真，获得了仿真关节角度和末端运动轨迹，验证了机构的合理性。通过运动学仿真还获得了驱动安装位置点间的垂直位移，该位移即为驱动运动范围。通过下肢外骨骼动力学分析及仿真，可得到关节力矩曲线，为驱动型号选择提供数据依据。
控制系统是保证外骨骼能够快速准确地跟随人体运动的关键。通过控制方法的比较，本文选用模糊PID控制算法。此外，本文搭建了系统的硬件平台，选用电动推杆作为驱动；位姿传感器MPU6050和薄膜压力传感器来采集运动状态信息；选用ATmega128单片机作为控制中心。然后通过传感器数据采集、控制算法以及电机驱动等软件编程实现下位机控制，利用LabVIEW实现上位机人机交互的数据实时显示和存储。
模拟实验表明：由于下肢外骨骼末端运动轨迹与仿真数据变化趋势相同，且实验穿戴未发生阻碍运动情况，则外骨骼装置能够跟随人体运动，且不妨碍人体的运动。只是在穿戴舒适性方面仍有待研究。控制方案的快速性和准确性由外骨骼的跟随性实验来验证，但是关节角度数值差异和动作延迟方面明显低于仿真数值，随后本文分析了系统不完善的原因。可能是传感器精度，电动推杆的重量和控制算法影响了系统的精度。