随着科技水平的不断提高,可穿戴智能设备发展十分迅速。为减少人体在负重过程中的能量代谢,一系列提高人体运动能力的装备被研发出来。如外骨骼系统,通过主被动方式消除静态载荷对人体的影响,并且辅助关节运动进一步减少人体能量代谢。但是实际人体在行进过程中,由于负载与人体具有较强的耦合性导致运动过程中负载还会对人体产生惯性冲击,因此本课题主要针对在负重过程中产生的动态载荷对人体的影响,提出主被动结合的恒力悬浮背包装置。主要应用于单兵行军作战和科学考察等场合。详细论述了恒力悬浮背包的机械系统设计、可调阻尼系统设计、控制策略研究以及相关实验和结果分析。通过现有悬浮背包的研究现状总结出目前存在的问题,即当负载质量和人体运动频率改变时系统悬浮效果都会有较大的变化。为此根据人体运动情况进行人体质心运动学建模和下肢等效建模,并结合传统悬浮背包进行耦合动力学建模和仿真分析,将其等效为简单的单质量弹簧阻尼系统和较为复杂的双质量弹簧阻尼系统,探究悬浮背包作用机理进而确定最佳工作状态。在人机耦合系统动力学模型分析的基础上提出了基于弹簧式重力平衡原理的恒力悬浮背包。通过改变弹簧挂点位置来改变平衡负载的重量,该原理将系统刚度减小为0,保证人体以不同频率运动时负载均处于悬浮状态。分析了恒力系统存在的误差,并设计了多滑轮补偿机构减少机械误差;对本体机械结构进行设计并对关键零部件进行有限元分析,采用拓扑优化进行轻量化处理;提出了基于电机发电模式下的可调阻尼系统,通过电磁继电器控制电机三相线通断改变系统阻尼。为了提高恒力悬浮背包工作的安全性和稳定性提出了基于负载位置和相对速度的可调阻尼控制策略。采用IMU传感器实时检测负载的加速度并上传上位机记录,电机编码器读取背包负载位置及速度等信息并反馈给主控板STM32F4,通过PWM形式动态改变系统阻尼的大小来调节负载的平衡状态,实现了低功耗的主动控制。最后恒力悬浮背包系统装配集成,进行相关实验测试和结果分析。分别进行了恒力机构拉力测试,背包负载垂直惯性力测试、人体能量代谢测试以及机动性能测试。验证了恒力机构具有较好的平衡效果以及恒力悬浮背包具有一定的减负效果。实现自重4kg,最大负载25kg,平均减少动态载荷88.45%以上,在人体以5km/h-9km/h速度运动下均可正常工作的设计要求。