外骨骼机器人作为一种穿戴式设备,结合了人类的智慧和机器的力量,综合运用了机械、控制、计算机、通信等多学科的技术,目前在军事、医疗等领域有着广泛的应用。尽管外骨骼机器人是当前的研究热点,国内外高校和研究机构进行了不少研究,其仍然存在一些值得研究的问题,比如如何获取到更加安全、舒服的人机交互体验。因此,本文拟采用柔顺的串联弹性执行器(Series Elastic Actuator,SEA)驱动外骨骼机器人的关节,并设计了一款膝关节机器人,在此基础上开展研究。首先,我们对这种串联弹性执行器的特性进行介绍,其具有低输出阻抗、抗冲击能力、能实现精准及稳定力控制的特点。通过对其建模和分析,我们知道其在低频时能拥有比较好的特性:其频率响应在低频时较好,随着频率升高有所下降;其阻抗在低频时很小,随着频率升高趋近于其弹性元素的刚度系数。而人的行走过程属于是低频运动,故将这种执行器运用到外骨骼机器的设计中是合适的。接着,我们介绍了本文所设计的膝关节外骨骼系统,包括机构结构设计,其各个部件的设计及各部件间的连接关系,主要包含三部分:大腿组件、传动组件和小腿组件;SEA设计,其核心使用设计三组弹性元件均匀分布在一个托盘中,以此保证整体结构的紧凑性。通过人与机器的相互作用,形成压缩量,从而产生力矩;硬件系统,具体使用的电机型号、传感器、减速器和驱动器等;系统框架,系统各部分的通讯过程和及工作流程。然后,在设计和搭建膝关节外骨骼系统的基础上,我们对人-膝关节机器人进行人机交互建模,为了实现鲁棒的力控制,我们采用了积分滑模控制算法(滑模控制的改进算法),通过引用积分项将误差进行重置,同时我们也将控制律中的离散项进行连续化来避免抖动现象。通过稳定性实验和穿戴实验,滑模控制是稳定的而且能够实现准确的力控制。另外我们也从人机交互模型出发,在补偿人体运动和使用反馈控制的同时,通过扰动观测器来增强对系统扰动的补偿。我们也对这三种方法(积分滑模控制、普通滑模控制、基于扰动观测器控制)进行了实验对比,结果表明,积分滑模控制的表现最好,基于扰动观测器的控制方法次之,普通滑模控制的表现一般。最后,我们对本文将柔顺执行器用于外骨骼机器人的研究工作进行简要总结,并对下一步可以开展的后续工作进行了展望。