当代社会,越来越多的人有下腰痛的困扰。下腰痛(low back pain,LBP)是指后背的腰、骶部的疼痛或不适感,有时会伴有下肢放射痛,它严重影响了患者的生活和工作能力,且缺乏有效的诊断与治疗手段。而腰椎外骨骼机器人作为一种模仿生物外骨骼而开发的可穿戴机电一体化装置,能够为穿戴者提供腰部支撑、腰部机能增强等帮助,成为理论与工程界的研究热点。因此,针对腰部活动严重受限的下腰痛患者,本文设计并提出了一款基于并联机构的新型腰椎外骨骼,主要工作如下:(1)针对现有腰椎外骨骼辅助自由度的单一性及助力过程中对肩部大腿造成的负担,在研究人体腰部运动机理的基础上,完成了一种新型腰椎外骨骼的机械结构设计。首先全面分析了腰椎机构以及腰部肌群,剖析了腰部结构及其运动特征,定义了一种腰部康复运动轨迹。接着,基于腰椎运动的耦合特性,采用4-SPS/S三自由度球面并联机构设计了一种新型腰椎外骨骼,定义了尺寸参数,并利用螺旋理论分析了该并联机构的自由度。最后,完成腰椎外骨骼的结构设计,并在Solidworks中绘制出其机械本体。(2)针对腰椎外骨骼的三自由度并联机构,分别运用欧拉坐标变换和牛顿迭代法实现了其运动学建模。基于推杆电机的工作原理并考虑摩擦因素,建立了推杆动力学模型。首先运用坐标变换得到运动学逆解,然后利用Newton-Raphson迭代法求解非线性方程组得到机构的运动学正解,利用MATLAB仿真验证运动学正逆解的正确性,并基于该运动学模型采用蒙特卡洛方法得到并联式腰椎外骨骼的工作空间。这里机构动力学建模主要是根据力学平衡原理求解推杆对人体的推力。最后对单个推杆进行动力学建模并考虑电机中的摩擦因素,提出了一种含参数不确定性的LuGre摩擦模型。(3)为减小四根推杆电机间的协同误差并保证单电机的跟踪性能,设计了一种基于单电机摩擦补偿的偏差耦合协同控制器。该三自由度球面并联腰椎外骨骼系统的控制器包含两部分,协同控制和单电机跟踪控制部分。并联机构中共有四个推杆电机,为提高系统的整体协同性能,在传统协同控制策略的基础上提出了一种改进的平均偏差耦合协同控制策略;另一方面,单电机控制器的设计也是影响整个系统的控制精度和稳定性的一个重要因素,针对单电机中的摩擦提出了基于非线性观测器的单电机反步积分自适应摩擦补偿策略。最后,利用MATLAB对提出的控制方法进行了仿真验证。(4)利用Open Sim生物力学仿真软件,验证了本文所设计的腰椎外骨骼在腰部运动过程中的助力有效性。分析了Open Sim的原理和仿真技术,将腰椎外骨骼与人体进行耦合并定义了人体腰部运动。采用Open Sim针对人体在穿戴和未穿戴腰椎助力外骨骼两种情况下,分别进行前屈后伸运动时进行仿真,对其肌肉力进行比较,从而验证腰椎外骨骼的助力有效性。