下肢外骨骼是一种可穿戴的智能助行器,可以为下肢存在运动障碍的老年人在站立、行走的过程中提供助力,帮助其恢复正常行走,可以有效地提高老年人的生活质量,进而缓解社会和家庭的养老压力。因此,下肢外骨骼的分析研究具有重要的理论意义和应用价值。论文主要对人体在5种路况下的运动情况,人机耦合的动力学建模和下肢外骨骼的控制策略等方面进行研究,主要内容如下:首先,使用VICON MX三维步态信息采集平台对正常人在平地、上/下楼梯以及上/下斜坡5种路况下的髋、膝、踝关节角度进行了采集。根据采集到的角度信息,对不同路况下的人体行走方式和行走力矩等进行了分析,为之后的外骨骼控制奠定了基础。其次,分别对人体和外骨骼建立D-H坐标系,选定右足脚趾处为基坐标,并在其他关节处建立局部坐标。在D-H坐标系的基础上,根据牛顿-欧拉方程建立人机的动力学模型。将人机之间的交互力简化为弹力加入到动力学方程中,从而构成了人机耦合的动力学模型。在Adams中建立人体穿戴外骨骼的虚拟模型,将动力学方程计算所得的关节力矩加入其中,验证了所建立的动力学模型的正确性。最后,根据自抗扰的控制思想建立了下肢外骨骼的控制框架。利用扩张状态观测器模块实现了对下肢外骨骼状态变量和外部、内部总扰动的估计,并通过控制器对总扰动进行了补偿。为了提高其响应速度和鲁棒性,将滑模控制加入其中,完成了对下肢外骨骼的基于自抗扰的滑模控制。最终在Simulink仿真平台上搭建仿真模型,对控制方法进行了仿真验证。仿真结果表明,基于自抗扰的滑模控制对下肢外骨骼具有良好的控制效果和较强的抗干扰能力。