上肢康复外骨骼是辅助上肢运动功能障碍患者进行康复训练的一种医疗设备,近年来由于神经系统疾病等问题促使上肢康复需求量增多而备受关注。使用上肢外骨骼为患者提供高效、智能的康复训练对于弥补传统康复的不足以及提升康复效率具有重要的意义。因此本文基于上肢外骨骼,以为患者提供更加适宜、有效的主动训练为目标,主要围绕着患者主动运动意图检测和主动训练方法设计这两个关键问题展开研究。准确获取到患者的主动运动意图是实施主动训练的必要环节。根据患者的运动障碍程度设计相应的辅助方式是实施主动训练的核心环节。针对当前患者主动运动意图的检测在准确度、稳定度和完整度方面存在一定欠缺的情况,本文在分析上肢外骨骼的人机物理交互关系和工程应用的可行性需求的基础上,决定将人机交互力矩作为主动运动意图的量化指标,从而研究了基于接触力和基于逆动力学模型的两种方法来获取人机交互力矩。这两种方法在本质上是一致的,但在实现途径上有所区别。在理论上,它们分别依赖于运动学模型和逆动力学模型。在传感数据上,它们分别依赖于人机接触力和关节驱动力矩。本文对这两种方法进行了理论与仿真实验的分析,结果验证了基于接触力的方法更加简单稳定但在完整度方面存在一定缺失,而基于逆动力学的方法更具有完整性但在准确度方面受制于模型的精度。针对当前主动训练与患者的运动障碍程度未充分匹配的问题,本文在人机交互力矩的基础上采用导纳控制框架设计了合作式主动训练和自主式主动训练。导纳控制的核心思想在于将人机交互力矩转换为位置偏移量。合作式主动训练以上肢外骨骼的末端位姿误差为依据划分了人机动态交互区域,由此来调节位置偏移量对预定轨迹的修正效果,从而保证患者在预定轨迹的牵引和约束下具有一定的主动参与度。自主式主动训练通过上肢外骨骼伺服位置偏移量的方式来辅助患者在虚拟游戏的引导下进行自主运动,从而保证患者在运动过程中占据主导地位。本文对这两种主动训练进行了原理分析并通过Simulink和Adams联合仿真实验进行了方法验证。仿真结果中的人机之间的运动一致程度和交互力的大小表明了这两种主动训练方法满足了不同运动障碍程度患者对人机交互和康复训练的需求。本文最后基于搭建的上肢外骨骼平台,对这两种主动训练方法进行了功能测试,从而验证了仿真研究中的方法在实际系统的可行性。