(1)研究背景

铁器作为生产工具的出现源自于人类对提高生产效率，征服自然的渴望；蒸汽机的出现源自于人类对机器替代手工劳作的渴望；飞机的出现源自于人类实现跨越地域的渴望；航天飞行器的出现源自于人类对于探索外太空的渴望；计算机则源自于人类对大容量计算与处理的渴望。时代的推进源自于迫切的需要。对于下肢动力外骨骼机器人而言，其诞生是为了提高现代化单兵作战效率的需要；其作用在于能够提高单人承载能力，使单个人体能够背负重物运动时避免消耗过多体能；自然灾害发生时，现代化装备很难抵达的地方，往往需要人类靠自己的双脚、双手去完成救援任务，而人的体力毕竟有限，在外骨骼机器人的协助下可最大程度发挥人的作用，能够在宝贵的时间里完成更多的救援任务，从而挽救更多的生命。

上世纪起，科技工作者对与机器人的研究异常火热，各种仿人机器人应运而生，甚至出现了全机器人餐厅；工业化生产线上也遍布各式各样的工业机器人、机械手的踪迹。进入21世纪以来，随着单兵作战概念的提出，关于仿人型机器人的科学研究已经成为机器人研究领域的热口研究方向，该方面研巧成果取得很大的进步，世界范围内，不同的科研机构研制了种类多样、巧途各异的仿人型机器人，并在协助或者代替人类进行生活生产上发挥着举足轻重的地位。然而，在实际使用过程中却伴随着诸多问题，随着研究的更深入发展，要求越来越高，问题越来越多。比如，机器人是由之前设定的程序进行操作执行，不会预判，不能够像人类那样遇到突发事件时候能够随机应变，因而很难大面积的量产投入实际使用中。为了克服这个问题，有科学家提出穿戴式机器人，可以倚托于人体肢体和关节，随着人体运动而运动，动作上，能够随同人体的动作同步运动；能量上，能够帮助人体减巧载荷，将相当部分的载荷转移到机器人身上。对于士兵而言，背负的重量可以大大改变，可以支持士兵完成更远距离作战要求，对于残疾人而言，可以帮助其进行康复训练。这样，在外晉骼的帮助下，在完成某项任务时，人类提供可以提供智慧、随机应变能力，机器人能够支持稳定的能量补给，两者实现优势互补进而解决现有难题，更有效率地完成任务。在此背景下，科学界开始着力研制一款人机交互，优劣互补有效结合的外骨骼装置，这就是下肢动力外骨骼机器人。

（2）国内外研究现状

近年来，随着机器人技术的成熟，机器人应用越来越广泛，学者们对于负重型下肢外骨骼的研究也取得了巨大的进步。针对目前外骨骼机器人的诸多问题，特别是下肢外骨骼机器人结构灵活性高与承载稳定性难以兼顾的问题，有学者提出根据外骨骼所处步态的变化来调整机器人结构变化，该结构可以在摆动相中释放髋关节欠驱动自由度，以满足机构的高灵活性要求；而在支撑相中，能够消除冗余的欠驱动自由度，从而达到改变机构形式，优化力在传动过程中的路径以及提高外骨骼机构承载能力的目的。

为了提高骨骼服穿戴者运动的灵活性，大多数下肢外骨骼机器人与穿戴者肢体平行，即采用拟人型的布置结构。然而以人肢体运动的边界为最小边界，很容易造成人体骨骼关节与外骨骼机器人关节的位置偏差。这一差异使穿戴者与外骨骼机器人这一系统的受力情况上升到空间力系，即使采用高副低代的形式使外骨骼转轴与人体转轴重合，对于髋关节欠驱动的外骨骼机器人而言，背附于人体背部的负载的重力始终偏离穿戴者和外骨骼机器人的髋关节，会对关节造成巨大的转矩。人体为了平衡，往往会采用身体前倾、步行中加大躯干侧向摆幅等调整措施，以减少负载重力矩对身体的影响。这样就严重影响了穿戴者的正常的站立姿态与步态，无法实现外骨骼顺应穿戴者运动的设计目标。同时也难以实现为穿戴者提供方便这一设计宗旨，甚至会对穿戴者造成伤害。在运动过程中，人体习惯性保持运动的流畅性，然而在保证骨骼服机器人承载能力的基础上，柔顺性势必会受到影响，其运动空间与范围能否符合人体关节的生物特性也不得而知。

2. 研究的基本内容与方案

一、研究内容

1.研究负重型外骨骼机器人的控制问题及国内外现状，掌握负重型外骨骼机器人的工作原理

2.构建负重型外骨骼机器人的控制系统硬件框架

3.建立负重型外骨骼机器人对象的数学模型，设计控制算法