负重行走时的额外载荷会改变行走步态,使人体代谢消耗增加,甚至产生关节和肌肉损伤。为拓展人体负重运动能力并降低肢体骨骼损伤,开发降低行走代谢消耗的悬浮背包系统已成为可穿戴机器人领域的一个重要研究方向。尽管悬浮背包系统已得到广泛研究并已涌现出大量研究成果,但仍然面临诸多挑战。如大负荷负重行走时肩部负载力高,被动式悬浮背包难以实现最优的代谢消耗目标等。针对这些挑战性问题,本文设计了一种可变参数的负载转移式悬浮背包,实现了肩部静态载荷的转移和动态载荷的主动调节,并降低了负重行走的代谢消耗。论文主要工作如下:针对大负荷负重行走时肩部负载力高的问题,本文设计了一款可变参数负载转移式悬浮背包系统,它主要包含基于串联弹性执行器的动态载荷调节机构和基于并联弹簧预紧力控制的静态载荷转移机构,可以同时实现肩部动态载荷调节和静态载荷转移。背包系统的可靠性及安全性通过有限元方法得到了验证。针对被动式悬浮背包难以实现最优的代谢消耗目标的问题,本文分析了主动式背包的载荷调节原理,提出了人体肌肉做功效率的量化描述方法,建立了负载运动参数与代谢消耗之间的关联模型,从而得到了优化的负载-人体相对运动轨迹。提出了基于回声状态网络和环境解耦的负载轨迹跟踪控制方法,有效避免了低刚度弹簧引起的负载位移与电机角度的耦合问题。仿真结果表明,控制器平均跟踪误差比带角度前馈的PID控制降低了28.8%,具有更高的跟踪精度;背包系统通过主动控制跟随优化轨迹时,每个步态周期肌肉做功需求比被动式悬浮背包降低了9.38J,具有更高的能量效率。最后,本文完成了对设计的负载转移式悬浮背包的系统集成和实验验证。实验结果表明,在20Kg的外部载荷条件下,背包系统最高可降低人体肩部53.2%的动态载荷,同时转移29.2%的静态载荷,有效减少了人体肩部负载力。在主动控制的作用下,背包系统可降低人体12.9%的代谢消耗,提升了人体负重行走的能量效率。