外骨骼作为一种可穿戴的智能机械装备,能够识别穿戴者的运动意图,同人体形成闭环的一体化系统,实现人机协同运动和力量辅助,使穿戴者能够在自身意识控制下轻松地完成很多原本超出能力范围的活动。基于气动肌肉驱动的气动助力外骨骼为外骨骼机器人领域提供了一种低成本、低电磁干扰、高柔顺性和环境友好的解决方案。准确获取人的运动意图、快速适应外部负载变化、保证运动过程的流畅性和舒适度是实现外骨骼人机协同功能的关键技术。本文研究重点即以气动助力上肢外骨骼为研究对象,开展基于多源信号融合的人机协同控制研究。主要工作内容包括以下几个方面:第一,完成了上肢外骨骼机构的改进以及控制系统的设计,为多源信号的引入提供了可能。首先根据新增人机交互力检测的需求对外骨骼的机械结构进行改进;其次确定了外骨骼人机交互接口,提出了基于小型气囊的新型人机交互力测量装置,该装置有效解决了传统交互力检测方式稳定性差、准确性低、人体舒适性不好的问题;接着设计了肌电信号调理电路并对原始s EMG信号进行预处理;最后搭建了基于PC机和USB6343数据采集卡的外骨骼控制系统,并在Visual Studio平台完成控制界面的设计。第二,结合人机交互力、表面肌电、关节角度和气动肌肉内部压力等多源信号开展了人体上肢运动意图识别算法的研究。首先确定了基于力控制的上肢外骨骼人机协同运动控制策略;其次提出了基于交互关节力矩的运动意图检测方案,该方案减少了传感器的数量,提高了系统稳定性、柔顺性和响应速度;最后建立了基于逻辑回归算法的运动检测机模型,其能够对人体运动状态进行准确无误的分类,对运动意图做进一步判断,在肘关节姿态保持上扮演了至关重要的角色。第三,提出了基于负载自适应的人机协同控制策略。首先根据气动肌肉驱动的外骨骼机器人的特点,提出了初始时刻负载识别方法和初始助力系数确定方案;其次详细阐述了基于参考关节力矩的助力系数调整策略和基于气囊内部压差的助力系数调整策略,其主要目的均是使外骨骼机器人能够主动调整助力系数从而对负载变化自动适配,最大程度上提高系统适应性和舒适性;最后针对上述两种助力系数调整策略存在的优势与不足,提出整体解决方案,以自动适应负载反复变化的情况,从而获得最好的人机协同运动控制效果。第四,在不同负载、不同助力系数、不同运动模式下,对上肢外骨骼肘关节开展实验研究,实验结果表明,外骨骼系统可以准确识别出人体的运动意图,快速适应外部负载的变化,保证运动过程的流畅性和舒适度。