随着科学技术的发展,在流水线生产中重型货物的搬运工作基本由机械设备所代替,但在特殊环境下依靠人力进行重物搬运依然是最可靠的方式之一,如物流业中快递分拣、灾难救援中物资前送、军事中炮弹填充和弹药搬运等领域。然而长期从事重物搬运工作容易对手臂、腰背部造成骨骼肌肉损伤。研究表明搬运外骨骼能为穿戴者提供助力和保护,因此,设计一款主动式上肢搬运外骨骼对降低搬运工作中骨骼肌肉损伤的发病率具有十分重要的意义。本文针对现有搬运外骨骼存在的问题,主要包括:机械结构复杂、人体搬运运动意图识别人机匹配性不高等问题,开展了主动式上肢搬运外骨骼系统设计研究,主要研究工作如下:首先,通过对搬运动作的特征分析,总结常用的搬运动作及其特征。分析其影响搬运能力的主要因素,并指出如何去进行安全可靠的搬运方法。同时建立搬运生物力学模型,对手臂、腰部在搬运动作中的发力机理进行分析,探讨影响手臂和腰部负荷的主要因素,最后提出了搬运外骨骼助力的预想方案。其次,开展对搬运外骨骼的助力结构方案设计,主要包括原理设计、机械结构设计、布局设计和绑缚机构的设计。针对外骨骼主动助力机制设计了一种带离合的并联弹性驱动器,搭配柔性钢丝构建了一种欠驱动的手臂助力机构,并对上肢驱动模块进行了布局设计。针对腰部助力采用被动式助力原理,利用滑轮技术设计了一种被动式绳轮助力机构,为解决助力时对行走动作的影响,根据人体行走步态特征在腰部与大腿之间设计了差动机构。根据外骨骼固定和传力的实际需求,完成对腰部绑缚机构和腿部绑缚机构的设计,并对腿部绑缚机构两种方案进行了主观实验测试选择最佳方案,最终选择了大腿绑缚方案。然后,对外骨骼控制系统设计,包括人体搬运意图识别策略和驱动器输出力矩控制策略。根据手与重物接触的搬运特征,将压力传感器布局在指尖,提出了一种基于指尖压力的搬运意图识别方法。通过对比了基于位置和基于力的两种驱动器控制方案,分析其基于力的控制方案更适合搬运手臂助力,建立了基于PID的驱动器闭环控制系统。通过编程实现软件设计,搭建了外骨骼控制系统。最后,完成对搬运外骨骼样机的搭建,详细介绍了搬运外骨骼的工作原理及使用方法。为衡量该外骨骼的助力性能,开展了外骨骼效能评估实验,通过设计模拟搬运实验,对比分析肌电信号和代谢成本数据,研究了该搬运外骨骼对穿戴者完成搬运工作所带来的的影响。实验结果表明,搬运外骨骼能有效降低手臂肌肉和背部肌肉的发力程度,能缓解搬运工作中的骨骼肌肉疲劳损伤。此外,该外骨骼显著降低了搬运工作的代谢成本,减轻了搬运工作的强度,有利于提高生产工作效率。本文完成了对主动式上肢搬运外骨骼系统设计,从搬运生物力学分析出发,对外骨骼进行机械结构创新设计,搭建了外骨骼控制系统,并进行了外骨骼实验评估,实验证明该搬运外骨骼对搬运工作能提供保护和助力。