近年来,脑中风引起的偏瘫患者日益增多。偏瘫患者行走困难,生活自理能力弱。偏瘫外骨骼用于帮助偏瘫患者自助行走,具有一定的辅助康复功能,它是机器人学、仿生学、控制理论和信号处理等多学科交叉系统,涉及机械、传感、控制等多领域技术。本课题源于浙江省科技厅项目“偏瘫患者辅助下肢外骨骼研发”。本文分析了国内外下肢外骨骼的发展历程和研究现状,针对普通下肢外骨骼对偏瘫患者存在结构冗余的问题,提出了一种新型的具有稳定支撑的偏瘫专用外骨骼,对外骨骼的结构和步态策略进行了详细设计和优化。本文的研究成果为偏瘫外骨骼的机械设计和性能优化提供了新的设计方案和理论方法,对外骨骼的推广应用具有良好的工程指导意义。论文主要内容如下:1)偏瘫下肢外骨骼仿生结构研究。根据人体关节模型及偏瘫步态特征,提出偏瘫下肢外骨骼仿生结构方案。从穿戴舒适性、运动安全性、操作便利性等方面对偏瘫外骨骼设计原则进行了探讨。2)偏瘫下肢外骨骼步态策略研究。根据提出的偏瘫下肢外骨骼结构特点,提出了平地、上下楼多种助行步态策略;建立步态性能综合评判模型,为偏瘫外骨骼步态策略研究提供新的方法与客观标准;建立了人机一体化三维模型,为步态策略研究提供仿真平台。3)偏瘫下肢外骨骼轨迹规划研究。将偏瘫下肢外骨骼及患者简化成连杆模型,建立了平地、上下楼步态人机关键点运动方程。利用三次样条拟合关键点轨迹曲线。通过研究,建立了各种步态策略对应的平顺步态轨迹。4)偏瘫下肢外骨骼运动学与动力学建模与分析。通过D-H法建立偏瘫外骨骼运动学模型,采用几何约束方法建立偏瘫外骨骼步态分阶段逆运动学方程。在逆运动学求解过程中,利用坐标系变换将4连杆减化为3连杆,简化模型复杂性。利用拉格朗日法建立偏瘫外骨骼主动模式动力学模型。通过推导偏瘫外骨骼几何雅可比矩阵,建立了关节速度与末端速度之间的联系。为偏瘫外骨骼的设计与优化提供理论依据。5)偏瘫下肢外骨骼步态回归模型研究。为了提高偏瘫下肢外骨骼智能水平,开展了步态轨迹机器学习研究;为减少机器学习样本交叉组合数量,提出偏瘫外骨骼步态特征参数组织构架;建立了步态轨迹回归模糊模型,利用支持向量机对模型参数进行辨识。该模型能根据少数特征参数,自动生成所需的步态轨迹,避免示教学习可能出现的意外;构建了支持向量机模糊核函数,根据步态特征,利用特征加权与时序窗口对核函数进行改进,有效提高了模型精度。6)样机研制及实验研究。根据本文提出的仿生结构及相关研究,研制了偏瘫下肢外骨骼实物样机,并搭建了实验平台。通过对样机的实验研究,验证本文理论模型及仿真结果的有效性。实验平台为偏瘫外骨骼的优化及研究提供了条件。