手部外骨骼是肢残患者运动神经功能康复不可或缺的工具,然而由于人手具有复杂的生理结构特征和灵巧的抓取操作能力,如何设计匹配人手复杂功能运动的穿戴式外骨骼是当前康复机器人研究领域的难点。本文针对这一研究难点,从人手结构特点和关节运动规律研究、外骨骼手指关节与驱动结构设计、外骨骼控制系统设计三个方面展开了系统而深入的研究,主要内容包括:1)从生理结构和运动学两方面探究人手规律。生理结构方面,根据人手部关节自由度数目、关节旋转中心位置不同将人手16个主要关节分为铰链型、鞍状型和踝状型三种类型;运动学方面,通过对人手关节运动数据集进行相关性分析和主成分分析,得出了人手关节之间的相关性规律和协同性规律。2)设计符合人手结构特征的外骨骼关节结构和匹配人手运动规律的外骨骼驱动结构。针对人手三种类型关节的结构特点,建立了单轴旋转关节运动模型、复合掌指关节运动模型和复合拇指掌腕关节运动模型,并依据运动模型设计了相应的机械关节结构;根据人手关节间运动规律,设计了由两个单电机模块和一个双电机耦合模块组成的外骨骼驱动结构,实现了外骨骼运动与人手运动的匹配。耦合驱动赋予了外骨骼少输入多输出的运动特性,进而实现了外骨骼结构的集成化、轻量化设计。3)设计外骨骼控制系统。外骨骼采用基于数据手套的主从控制系统,为使外骨骼在控制层面同样具有拟人性,提出了将数据手套16维关节角度向量变换为4维电机角度向量的方法。根据主从控制策略搭建电路并设计了控制程序,实现对外骨骼装置的拟人运动控制。4)实验测试外骨骼装置与人手运动的相似性。加工装配外骨骼样机,设计了实验比较抓握不同物体时外骨骼和人手关节角度变化的相似性,结果表明,外骨骼和人手具有相同的运动趋势,外骨骼具有匹配人手运动规律的特点。