下肢外骨骼机器人是一种结合了人体仿生技术和机器人技术的人机协作助力装置,它将人的环境感知和运动决策能力与机器人的机械性能结合起来,使人类能够在充分发挥主观能动性的同时也具备了机器的力量和持久性,提升穿戴者的身体机能,在军事、医疗、工业生产以及助力助行等领域得到广泛的应用。而人机耦合是外骨骼机器人功能得以充分发挥的关键。这就要求外骨骼能够实时准确的判断出穿戴者的运动意图,并快速精确地驱动各关节完成跟随运动。本文针对课题组的下肢助力外骨骼模型制定控制策略并设计可行的协同运动控制算法。主要研究内容包括以下部分。通过对外骨骼控制方法可实施性的分析,采用位置控制作为外骨骼机器人的控制策略。基于人体解剖学分析了人体下肢运动机理,确定传感器的类型、数量与布局,并设计人体下肢步态数据采集系统,采集正常人体行走状态下的下肢关节角度数据作为外骨骼位置控制的期望角度。针对位置控制中PID控制算法的适应性较差,难以满足外骨骼运动控制精度的问题,采用PID结合模糊理论与变论域的方法,设计具有良好适应性和精确性的变论域模糊PID控制算法,并利用Matlab/Simulink完成对外骨骼机器人变论域模糊PID控制器的设计。利用Adams软件创建外骨骼人机协同模拟环境,结合Simulink完成对外骨骼机械模型的协同仿真,验证所设计的变论域模糊PID控制器的可行性。仿真结果表明采用变论域模糊PID控制时外骨骼关节的响应速度快,超调量小,适应性强,提高了下肢助力外骨骼机器人的位置控制精度以及系统的动态响应性能。验证了所设计的变论域模糊PID控制算法的可行性。