在物流、建筑、工业领域,从业者需要长时间从事体力劳动,常年的高强度负荷导致工人罹患肌肉、骨骼疾病风险急剧增加。随着中国老龄化问题加剧,如何延长工人的职业寿命并减轻职业病发生率成为亟待解决的社会课题。研究证明,助力外骨骼可以提高穿戴者的运动能力,减少人体肌肉、骨骼受力,从而降低工人肌肉、骨骼疾病发生率。当前大多数搬运外骨骼助力位置多为腰部,鲜有研究围绕搬运过程中腰部受力及膝盖压迫问题进行综合探讨。因此,本课题设计髋关节主动、膝关节被动式搬运助力外骨骼,可为穿戴者腰部提供助力,并通过外骨骼大腿杆、膝关节将部分人体及物体重量直接传至地面,实现重力传递,减轻人体和重物重量对膝盖压迫,论文的主要内容如下:分析应用场景并结合轻量化、舒适性、实用性等设计目标,确定了主被动结合、单向力矩传递、重力支撑的总体外骨骼设计方案。基于人体解剖学及生物力学特征,围绕人机相容性构型,确立外骨骼整体布局及自由度分配;依据整体布局及模块化思路详细设计了髋关节、腰背部支撑、膝关节、足底压力鞋;对关键零部件进行有限元仿真分析,确保满足强度要求。搭建以STM32微控制器为核心的外骨骼传感控制系统。基于对人体搬运过程意图分析,设计包含惯性测量单元、足底压力传感器、髋部扭力传感器的人体意图识别模块;基于外骨骼实时控制需求,设计了以髋部一体化无刷电机为主、膝部直流减速电机为辅的伺服驱动模块;基于传感控制系统硬件及接口资源,开展外骨骼嵌入式软件系统设计,搭建可挂载多设备的CAN、IIC通信链路。建立基于有限状态向量机的意图识别上层控制策略和基于导纳模型的跟随及助力底层控制算法。分析人体行走及蹲起的规律,对足底压力信息融合,设计模糊推理算法识别人体行走相位,基于背部惯性测量单元姿态设计搬运相位判断规则;结合模糊推理算法及惯性测量单元姿态设计有限状态向量机相位切换规则,实现不同相位识别,为后续外骨骼精确控制奠定基础。基于拉格朗日方程对外骨骼支撑及摆动相位动力学模型进行推导与建模,建立人机背部导纳模型,设计了以导纳控制为外环、PD位置控制为内环的跟随及助力运动控制算法;建立导纳参数调整规则控制人机误差,并通过Matlab仿真验证变导纳参数下外骨骼跟随及助力控制效果。设计实验对搬运助力外骨骼系统进行跟随及助力效果评估。开展机构运动实验对外骨骼机构功能合理性进行验证;开展单关节跟随及外骨骼跟随实验确认外骨骼在摆动相位下的跟随效果;开展行走支撑、搬运助力实验确认外骨骼在助力模式下控制算法实用性;最后设计穿戴外骨骼前后重力支撑及呼吸效率对比实验,对外骨骼支撑效率及助力效率进行量化评价。对比实验结果证明,穿戴外骨骼可实现良好的支撑及助力效果,可实现腰部助力、减轻膝盖压迫的设计目标。