刚柔耦合并联机构作为机构研究中的新型课题,凭借刚性机构与柔性机构的优势融合,弥补了传统刚性笨重与柔性机构支撑性差的劣势。本文依据国内外肘关节助力机构以及刚柔耦合并联机构的研究现状,针对人群在提升重物中无法提供足够的力量,对可依附于人体的助力装置的迫切需求。在分析肘关节结构和运动特性的基础上,提出了一种刚柔耦合的可穿戴式肘关节助力机构,通过绑缚带的固定,使肘、肩相互配合提升物体,起到减轻人体产生的大部分负载的目的。首先,对刚柔耦合肘关节助力机构进行构型设计。根据人体的肘关节结构与运动特征,分析肘关节的自由度。在满足5大设计要求的基础上,确定了刚柔耦合助力机构的构型方案,提出了一种以3根柔索和1个刚性可伸缩套筒为主体的助力机构,在此基础上通过大臂套筒串联一个转动副来避免机构与人体的干涉。该机构可实现3个转动运动,其中包括肘关节的弯曲/伸展、围绕自身轴线的旋转、前臂的旋前/旋后;可实现1个套筒伸缩平移运动,即为4自由度助力机构。接着,对刚柔耦合助力机构进行运动学分析。根据刚柔耦合助力机构中柔索不受压的特点,最终将机构主体部分简化为3-UPS/UP并联机构模型。基于螺旋理论建立了3-UPS/UP并联机构的螺旋矩阵,求得机构自由度,并用改进的G-K公式进行了验证。对3-UPS/UP并联机构进行位置分析,求出了其位置反解;利用数值迭代方法对机构的位置正解进行分析,并利用粒子群算法对位置正解进行了验证。在约束参数范围内,通过Matlab编程,用三维坐标搜索法获得该助力机构的工作空间,结果显示,其工作空间内部连续,表明该助力机构无奇异位型,且具有良好的运动特性。然后,求解运动影响矩阵,并对机构进行动力学分析。对位置逆解表达式等号两边对时间求一次导,获得刚柔耦合肘关节助力机构的一阶影响系数矩阵,即为速度雅可比矩阵,继续对时间求导得到二阶影响矩阵。运用影响系数法构建该机构的动力学模型,对其进行动力学分析。对动平台、3根驱动绳、中间支链进行了受力情况分析,将受到的力和力矩简化在各自的中心点,得到了相对应的等效力和等效力矩。根据虚功原理,列出了平衡方程式,得到了驱动力和驱动力矩。通过Matlab仿真得到平滑的柔索拉力变化图,得出与理论值基本一致的结果,验证了机构力学理论分析的正确性,表明该机构具有平稳性,可实现稳定的助力。再然后,运用Adams软件和SolidWorks软件进行联合仿真,对运动学理论分析进行检验。将机构中的柔索等效简化,重建了Adams环境下的机构虚拟样机。对机构进行正、逆解仿真,得到屈曲/伸展、旋前/旋后的曲线图,由曲线得到,刚柔耦合助力机构的支链I、II、III在X、Y、Z方向上的伸缩变化量,且曲线图光滑连续没有突点。通过比较,得出了机构在屈曲/伸展、旋前/旋后助力运动中的运动学的逆解模拟与正解模拟曲线图,验证了运动学上的正、逆解理论分析的正确性。最后,在Anybody中对机构进行助力效果评估。研究肘关节运动中的原动肌以及肌肉活跃度与运动角度的相关性,并发现在30°～130°时,屈/伸运动的原动肌最活跃;而在-20°～50°进行旋前/旋后动作,旋前肌群与旋后肌群最活跃。接下来进行Anybody助力性能测试分析,在肌肉最佳活跃度的角度范围内,分别提升四种质量的负载,结果表明:针对不同质量的负载,助力机构提供的助力性能也随之改变。负载越大,能提供的助力越大;响应速度也有略微差别,负载重的响应时间上稍微滞后,但在允许范围内,减轻了人体受到的大部分重量,具有良好的助力性能。