如何用工程科学的方法拓展人体的运动能力和负重能力,一直是科技工作者的梦想,也是当前人机共融机器人领域的研究热点和难点。本论文旨在通过人体和动物运动规律的定量研究,建立拓展人体运动和负重能力的穿戴式机器人设计原理与方法。本论文的主要创新成果如下:1.针对使用外骨骼复现上肢功能运动的需求,建立了人体上肢功能运动的实验范式。提出了上肢特征运动的提取方法,以及基于相关性系数的上肢关节运动的聚类分析方法,揭示了人体上肢关节分组协同运动规律。建立了人体上肢特征运动的机械复现原理,提出了欠驱动递归运动机构的设计方法。建立了运用力旋量信息捕捉上肢运动意图的方法,提出了评价六维空间逼近程度的一类黎曼度量,将人体运动意图驱动的欠驱动外骨骼运动控制问题,转化为基于最小二乘的驱动空间速度生成问题,并通过实验验证了欠驱动外骨骼的设计原理和控制方法。2.针对人类在负重移动中代谢消耗巨大的问题,提出了反相运动的负重行走节能方法。受人体自然行走的摆臂行为启发,提出了负载随双臂摆动的负重行走节能方法,建立了被动负重摆臂设备的设计方法。揭示了能量消耗与摆臂幅度之间的关系,发现自然摆臂相对抑制摆臂可以减小代谢消耗,而增强摆臂却使能量消耗增加。受马的“点头”现象与骑师的“振腿”现象的启发,建立了负载相对人体躯干竖直反相运动的人类负重行走节能方法。提出了下肢承力能力的力椭球定量评价方法与减小系统质心波动原理,为反相运动负重行走节能方法提供了理论依据。3.针对帆布背包负重行走时负载惯性力导致的代谢消耗与肌骨损伤问题,提出了最小化负载惯性力的动力背包负重节能方法。建立了人体行走躯干加速度的时域与频域分析方法。提出了一类便携式轻重量动力背包的设计、建模、辨识方法,以及基于扰动观测器的加速度跟踪方法和基于PD控制的加速度生成方法。对于携带19.4 kg负载并以5 km/h的速度行走的条件,该控制方法可以在步态周期内平均降低98%的加速度,并相对帆布背包降低11%的总代谢率。4.针对动力背包存在负载扰动力矩的问题,提出了进一步降低代谢消耗的双侧动力包负重能量优化方法。提出了前后双侧动力包的设计原理,建立了双侧等质量负载分布和等振幅运动克服负载扰动力矩的方法。提出了迭代学习加速度控制方法,并通过实验验证了反相节能原理。研究发现在有限的幅度内人体的代谢消耗随着反相幅度的增大呈现单调下降趋势。对于携带27 kg负载并以5.6 km/h的速度行走的条件,利用负载反相可以将负载固定的代谢消耗降低15%。