当前外骨骼助力设备研究蓬勃发展,在解决老年人行动困难、辅助高强度劳动与增强军事单兵作战方面具有广阔运用前景。通常在外骨骼上使用电机直驱或串联弹簧执行器形式对人体进行助力,由于人体关节具有动态刚度特性,助力时容易产生冲击顿挫与扰乱正常运动的情况。这不仅给外骨骼控制设计带来严苛要求,也使得难以提升助力等级。此时需要大量实验数据来探索外部助力执行器与人体关节刚度匹配问题。变刚度执行器(VSA)作为物理变刚度机构,具有动态刚度调节、刚度控制带宽高等特点,契合刚度匹配实验。因此本文设计了一款基于板簧的小型变刚度执行器,结合控制系统能自动识别人体行走相位状态,动态调节执行器内部刚度的同时对人体进行助力,可有效对人体不同运动状态下进行刚度匹配实验。依据人体下肢运动参数,本文首先提出变刚度实验设计要求,输出力矩与变刚度动态响应标准。随后基于四连杆机构端点具有二自由度的运动特性,使用板簧作为弹性元件,确立变刚度机械原理并完成机构详细机械设计,建立并分析相应理论动力学模型。此后本文使用Abaqus提取板簧模态并生成柔性体模型中性文件导入Adams中,对变刚度机构进行力矩-刚度单向加载实验与往复加载实验。分析实验中执行器刚度非线性情况,最后依据实验数据建立刚度数据表与工作范围。随后本文以CPG相位识别算法出发,使用扰动理论一阶展开CPG单元,得出相位收敛公式,验证同频率下使用髋关节角度作为输入信号时相位收敛。在此前提下对CPG单元进行二阶展开,分析在圆形极限环下频率收敛准则,同时使用Simulink验证准则有效性,并进一步将准则推广到复杂极限环下收敛情况。最后基于上述准则,使用反馈结构去除信号均值,完成针对人体髋关节角度信号相位识别算法,并使用实际人体平地行走数据进行收敛验证。最后本文依据机构动力学模型分析结果。首先针对四连杆机构设计共模角度前馈力矩补偿与PID差模角度控制结构。其中依据刚度数据表插值建立映射函数,使用Matlab与Adams联合仿真确立各个惯性环节参数,并根据刚度映射表计算梯度表,完成变刚度力矩前馈补偿。在输出端固定情况下进行仿真实验。随后对识别出的惯性环节与板簧刚度特性在工作点进行线性化,将人体运动信息视为扰动信号,结合简化的人机交互模型计算出模型预测控制二次规划目标函数.使用阶跃响应确认控制参数,基于Adams-Simulink联合仿真对控制策略进行验证。