外骨骼在助力、健康辅助、康复医疗和高端制造等领域具有无比优越的应用前景,其本质上是以人为中心、保证人体健康和取得人信任的一类工具。近20年来外骨骼的研究呈指数级增长,然而并未实现大规模应用,其根本原因在于其“工具”的本质特征并未得到完善,在人机交互中存在人机稳定性不高、人机连接部件对人运动的限制、人机不可控交互力对人的安全威胁、外骨骼动力供应时间错位、力量大小错位、人机交互迟滞,以及体积大、自重重和穿脱不便等问题。为了实现外骨骼人机工程学可用性的宏观目标,本文从5个方面对外骨骼人机交互关键技术进行了研究。1.外骨骼物理人机交互(physical Human-Robot Interaction,简称p HRI)和人机界面(physical Human-Robot interface,简称p HRi)关键技术。人机尺寸偏差和人机轴线偏差所产生的不可控交互力,干涉和限制人的运动,使人在外骨骼辅助力下需付出更多的努力、消耗更多的能量。本文全面研究了人体生物特征和外骨骼物理特征,结合当前外骨骼仿生设计:结构简洁、不产生运动奇点、不与人产生干涉的优点,将人体肌骨模型描述为“简化的人体模型+人机偏差模型”,作为外骨骼设计的参考。运用自对齐机构设计方法,本文设计了自适应下肢康复外骨骼机构和连接装置,其自适应自由度使外骨骼的运动空间更接近于人体自然运动空间。2.外骨骼控制人机交互(cognitive Human-Robot Interaction,简称c HRI)和人机认知界面(cognitive Human-Robot interface,简称c HRi)关键技术。为了实现外骨骼驱动助力大小和时间的精确性,本文将人体自然运动描述“简化人体运动+人机偏差运动”,将人体关节变量区分为主关节变量和偏差变量,外骨骼覆盖人体自然运动,其关节变量划分为控制变量和自适应变量。在人机闭合运动中,运用D-H矩阵变换,求得外骨骼在关节层级的驱动和自适应规则,实现对外骨骼在关节层级的精确驱动控制。本文以下肢康复外骨骼髋关节为案例,分别计算了解耦后的髋关节在屈/伸、外展/内收和外旋/内旋三个运动方向上驱动规则。该理论使人机偏差可控、可补偿,使自适应自由度不仅仅只是经验的和补充的,而是精确可控的。3.以数学模型为基础的人机交互阻抗控制规则,是在观察人的行为和机器行为的基础上,将人体视为阻抗体,人机系统构成了阻抗和导纳柔性自适应系统。本文提出了下肢自适应康复外骨骼的人机阻抗控制策略。人机阻抗控制是典型的反馈控制,存在时间延迟和惯性补偿不精确性问题。本文在负重助力外骨骼实验启发下,探讨人的运动意图与肌肉协作之间的关系,理解神经肌肉控制策略在外部助力出现时的自适应特点,对肌肉协同收缩指标CCI和肌肉协作模块MSA进行量化分析,反映了人的肌肉活动在外骨骼助力下的自适应能力,得到了外骨骼EMG前馈式人机交互控制理论基础。4.基于对人自主优化能力的观察,对人机系统进行优化。人的自主优化性能体现在直观的步态调整、更深层次的神经肌肉信号上,表现在肌肉协同收缩和肌肉协作模式变化上,本文从外骨骼人机负重实验中汲取灵感,提出了一种优化模式,使外骨骼装置的控制策略能系统地变化以最大程度地适应人的优化能力。测量人在交互运动中的EMG信号,以减小关节肌肉协同收缩(CCI)水平为优化目标,优化人机系统性能。5.提出外骨骼分阶段人机评价方法,每一阶段都包含客观和主观性能评估矩阵。本文针对助力负重外骨骼样机和辅助装配外骨骼样机,进行了受控制的实验室测试评估,评估中使用的客观评测工具包括,人体肌电信号字体测试,步态的时空参数测试,人机接触压力测试。主观评测工具使用迄今使用最为广泛的主观心理负荷评估工具NASATLX主观性能矩阵,从认知负荷、体力负荷、时间要求、绩效水平、努力程度和挫折程度等六个维度对总体的心理负荷程度进行评定,并扩展评估了外骨骼助力时人的主观不舒适性。助力负重外骨骼评估结果显示其具有优秀的负重能力,而人机交互跟随性能则受限于人机连接的过度柔性,膝关节动力肌活动降低10%以上,主观性能显示外骨骼降低65%体力负荷需求,却增加了50%认知负荷需求。在辅助装配外骨骼评估结果中,装配手动工具的振动效应绝大部分被外骨骼机构吸收,工人的肌肉活动在工作中平均降低了20%,人机接触压力降低了20.4%。