近年来,随着航天科技的发展,人类的太空足迹逐渐向远离地球的浩瀚空间蔓延。借助先进的航天飞机、火箭、空间站等宇航装备,载人航天已经成为太空科学探索的重要手段。其中微重力伴随整个航天旅程,长时间会导致宇航员骨质流失、肌肉萎缩及心血管功能下降,严重影响宇航员的探索活动及空间生活,因此必须采取相应措施。现代航天医学研究表明在太空中开展锻炼是抵消和减缓微重力带来的不利影响的有效手段。因此,开发适用于太空微重力环境,具有多种锻炼模式,且体积小、重量轻的宇航员在轨锻炼机器人具有重要的研究意义,对于提高载人航天过程中宇航员的生活质量及工作能力,顺利完成太空探索任务具有积极作用,同时对于我国航天事业、空间探索事业的发展也具有非常重要的现实意义。本论文在国家自然科学基金项目:面向微重力环境的宇航员康复训练机器人技术研究（61175128）的资助下,针对如何利用机器人技术辅助宇航员在太空开展多模式锻炼,保持宇航员骨肌及心血管健康的问题,在机器人结构、构型、控制方案,步态约束机构的优化及分析,人机系统动力学分析,卧推和深蹲锻炼的肌肉力及关节支反力分析,机器人柔索拉力分配及安全保护策略等方面进行了较深入的理论分析及实验研究。明确机器人设计要求,提出机器人结构、构型及控制方案。综述目前国际空间站及我国空间站中在役及在研的相关锻炼设备,通过锻炼模式,负载的可调节性,用户友好性,安全保护,设备体积、重量、成本和能效等10项指标对锻炼设备进行对比分析,结合太空环境及空间站的特殊性以及宇航员锻炼的需求,并依据航天医学理论,确定机器人的设计要求,提出一种占用空间小,基于模块化柔索驱动的宇航员在轨多模式锻炼机器人方案,并对机器人构型及工作空间进行分析,阐述机器人构型特点及工作原理,设计机器人的总体控制系统及控制流程。确定最优步态约束机构及其调节方案,建立人机系统动力学模型。利用人体运动信息采集系统对健康人体的步态规律进行采集,通过人体下肢数学模型获得9组不同身高人群步行过程中的踝关节轨迹。利用闭环矢量法,分别建立4连杆机构,6连杆机构及Jansen机构的末端轨迹数学模型。提出一种步态约束机构优化策略,确定优化目标函及最终评价指标。利用Matlab对3种步态约束机构分别针对9组踝关节轨迹进行优化,获得每个步态约束机构分别在可调参个数为1,2,3个时的末端轨迹,并对比3种步态约束机构在相同可调参个数下的末端轨迹,确定最优步态约束机构及调节方案,并确定相关调节参数。建立人机系统动力学模型,分析训练过程中关节支反力、扭矩及人机间接触力。分析卧推及深蹲锻炼过程中的肌肉力及关节支反力,确定合理负载力加载规律,减小锻炼过程中关节受力,降低宇航员受伤风险。首先,提出卧推和深蹲锻炼的刚体简化模型,采用拉格朗日法分别建立两种锻炼的刚体动力学模型,建立人体上、下肢的肌肉力和关节转矩的数学模型,确定卧推及深蹲锻炼的优化约束条件。其次,提出基于Radau伪谱法的冗余肌肉力及关节支反力的优化分析策略,确定优化目标函数。然后,对比分析重力及微重力环境下的卧推及深蹲锻炼过程中的肌肉力和关节支反力。最后,提出卧推及深蹲锻炼的负载力规划函数,在保证宇航员锻炼效率的前提下,减小锻炼过程中的关节支反力,降低宇航员的受伤风险。针对机器人柔索拉力分配和安全保护策略问题进行分析。首先,提出有杠铃杆参与锻炼的柔索拉力分配模型,以及基于柔索拉力方差最小的无杠铃杆参与锻炼的柔索拉力分配模型。其次,设计安全保护策略,分别提出有、无杠铃杆参与锻炼的加载点理想工作空间及安全工作空间,对宇航员的锻炼状态进行监测,当加载点偏离理想工作间时,能够及时进行调整或停车保护宇航员,降低锻炼过程中受伤的风险。最后,利用Matlab/Simscape搭建机器人系统,验证柔索拉力分配模型的准确性及安全保护策略的有效性。最后,研制宇航员在轨多模式锻炼机器人实验样机,进行样机性能实验研究及人机锻炼实验研究。介绍机器人各组成部分和控制系统。利用d SPACE硬件在环路仿真系统进行实验研究,主要包括:有杠铃杆加载实验、无杠铃杆加载实验、有杠铃杆安全保护实验、无杠铃杆安全保护实验、深蹲及跑步锻炼实验研究。验证了机器人结构及构型的合理性,柔索拉力分配模型的准确性以及安全保护策略的有效性。实验结果表明,宇航员在轨多模式锻炼机器人能够有效的辅助宇航员在太空中开展锻炼,并能够保护宇航员锻炼过程中的安全。