助力外骨骼是一种可穿戴式机器人,为穿戴者提供辅助力量,使穿戴者能够承受更大的负载或进行更长时间的体力劳动。在军事领域、抢险救灾领域以及工业领域中,助力外骨骼可以有效降低人的体能消耗,降低疲劳感,提高工作效率,具有重要的学术研究价值和实际工程意义。助力外骨骼的关键技术难点之一在于解决人机运动的协同性与外骨骼结构复杂程度的平衡问题。本文的主要研究目标是设计和开发一种全身助力外骨骼机器人,协助人完成特定的体力劳动,从而降低人体的能量消耗。本文的主要研究内容如下:第1章:绪论。介绍了外骨骼机器人的定义、分类以及应用场景。介绍了上肢助力外骨骼与下肢助力外骨骼的国内外研究现状,总结了外骨骼构型的主要技术难点,明确了本文的研究意义。第2章:人体运动特征分析。设计了四组实验以模拟行走搬运、起蹲搬运、水平搬运以及抬升搬运四种典型应用场景中人体的动作特点。针对肩关节的灵活运动特点,提出了一种基于空间运动学的肩关节运动范围的分析方法。通过动作捕捉系统采集人体的运动学特征。设计了用于采集肩关节完整可达运动空间的实验。采用Simscape仿真软件对人体的行走和起蹲过程进行动力学仿真分析,为外骨骼的设计提供了参考依据。第3章:外骨骼构型设计。基于助力的需求特点,分别从人机运动构型、关节自由度以及关节驱动方式三个方面对全身助力外骨骼进行了方案设计。设计了全身助力外骨骼的背部、手臂、肩关节以及下肢的结构。其中,肩关节采用了人机异构构型,并设计了一种基于开关锁止机构的被动式肩部助力机构,可以在助力状态与自由运动状态间切换。肘关节采用了基于电机-鲍登线系统的主动式构型,并对其控制系统进行了设计。外骨骼下肢采用了被动式构型设计。第4章:人机协同运动分析。基于穿戴外骨骼后的人机肩关节运动空间,对肩部助力机构的结构参数进行了优化,最终使穿戴者的肩关节运动空间与肩关节完整可达运动空间的重合度约为97%。采用Simscape仿真软件分别对人机耦合的上肢和下肢进行了动力学仿真,并对肩部助力机构和膝部助力机构的气弹簧进行了选型计算。基于上肢动力学仿真结果,对外骨骼肘关节控制策略进行了研究。第5章:外骨骼助力实验研究。以受试者代谢消耗作为评价指标评价全身助力外骨骼助力效果。制作了全身助力外骨骼样机,对外骨骼穿戴实验进行了设计。对呼吸代谢的实验数据进行了分析,验证了外骨骼的有效性。第6章:总结。总结了本课题的研究工作以及主要创新点,对未来的优化改进方向做出了展望。