“地球是人类的摇篮,但是人类绝不会永远只躺在摇篮里。”载人航天对于拓展人类活动空间、促进国家综合实力的发展具有重要作用,因此得到了各主要国家的重视。此外,航天事业对于发展人类文明、促进社会进步、增强民族凝聚力以及科技文化等国家软实力的积累也具有重要意义。然而载人航天会受太空环境因素、飞行器因素、高速运动产生的附加因素、外星球复杂环境因素等不利因素的影响。在这些不利因素中,失重长时间、持续的作用在航天员身体上,影响航天员的健康和工作,严重时可能威胁到航天员的生命。多模式航天员训练机器人通过并联柔索机器人模拟重力环境的负载特性,把载荷施加到人体上,辅助航天员在失重环境下开展跑步、卧推和负重深蹲等多模式体育训练,帮助航天员减轻空间适应综合征的不利影响,这对于载人航天事业的发展具有重要的意义。本论文在国家自然科学基金项目:面向微重力环境的宇航员康复训练机器人技术研究(61175128)的资助下,针对现有的航天员运动训练设备功能单一,训练效果不够理想的问题,探索通过并联柔索机器人辅助航天员在失重环境下开展多模式体育训练,为了能够实现有效加载,在机器人构型、柔索驱动单元数学模型、柔索驱动单元控制策略、人机系统控制策略等方面进行了详细的理论分析和实验研究。首先,分析载人航天的发展方向及发展障碍,概述空间适应综合征防护措施,通过分析空间适应综合征起因,确定机器人的训练模式及训练机理,提出机器人的设计要求;根据机器人设计要求,提出模块化、可重构的机器人结构方案和柔索驱动单元结构方案,经过构型优化,确定机器人的可控工作空间及安全工作空间;根据机器人的结构特点及使用要求确定机器人总体控制方案。其次,以模块化的柔索驱动单元为研究对象,建立在考虑承载对象运动影响的情况下的完整的柔索驱动被动式力伺服系统的数学模型;结合数学模型,分析系统中的不确定因素以及各因素对系统性能的影响,为系统的改进设计提供依据;通过实验方法辨识柔索模型、前向通道模型和多余力模型,验证系统模型的准确性。第三,针对航天员训练机器人控制系统设计设计过程中的主要控制问题,以柔索驱动单元标称模型为研究对象,在对柔索驱动被动式力伺服系统前向通道动态特性进行分析的基础上,设计柔索驱动单元主动加载复合控制策略,通过仿真和实验来检验复合校正后系统的稳定性、稳态精度、动态品质,检验系统能否满足“双十”指标;在对多余力的产生机理进行深入的理论分析和实验研究的基础上,设计柔索驱动单元被动加载控制策略,通过仿真和实验来检验柔索驱动单元被动加载复合控制策略多余力抑制效果,检验系统的品质鲁棒性。第四,以多模式航天员训练人机系统为研究对象,设计多模式航天员训练机器人双闭环控制策略,通过内环柔索驱动单元被动加载复合力控制器提高各柔索驱动单元的加载精度,通过外环机器人负载力控制器,提高机器人整体的加载精度,消除横向力影响;分别针对跑步训练和卧推、深蹲训练建立柔索牵引力规划数学模型,确定各柔索张力与柔索长度及期望负载力的数学关系;基于拉格朗日法建立失重环境下人体跑步、卧推及负重深蹲的动力学模型;利用MATLAB工具箱建立人机系统仿真模型,通过仿真来验证机器人柔索牵引力规划模型的准确性和机器人双闭环力控制策略的有效性。最后,在dSPACE半物理仿真平台的基础上,以模块化的柔索驱动单元样机为基础,将柔索驱动单元组合成不同构型的实验样机,开展单柔索驱动单元性能实验、平面二柔索驱动单元性能实验、空间三柔索驱动单元性能实验以及人机实验研究。通过实验来验证本文研制的多模式航天员训练机器人构型的合理性、柔索牵引力规划模型的准确性,控制策略的有效性,证明机器人可以辅助航天员在失重环境下开展体育训练。