在未来太空探索中,诸多工作（如航天设备装配维修、航天器在轨捕获释放、太空货物搬运、月岩标本采集以及低微重力环境下科学试验等）需要航天员在多种复杂地形或重力环境下携带大量设备和标本,并进行长时间、大范围、多任务的出舱活动。与传统的舱内活动不同,当前的空间站在轨作业以及未来的星表探测作业都需要航天员穿着厚重的舱外航天服,同时要求舱外航天服关节系统具备良好的运动灵活性。然而,多层织物结构的舱外航天服由于压力防护,导致其关节系统在运动时会产生明显的阻力矩,增加了航天员额外的体能消耗,严重影响未来出舱任务的完成质量。因此,本文首次开展了主动航天服的关节助力外骨骼机器人研究,即在现有舱外航天服基础上融合先进的外骨骼机器人技术,使航天员-航天服-外骨骼机器人成为高度耦合的复杂力量增强型系统,减轻关节阻力矩与设备负重对航天员出舱活动的影响。本论文的主要研究工作如下所示:1.考虑到与现有舱外航天服结构尺寸的匹配要求,开展了关节助力外骨骼机器人结构工效学设计与尺寸优化研究。首先,探究了主动航天服与航天员出舱活动时需满足的工效学要求,通过测量穿戴者-航天服的人服系统参数完成第一代关节助力外骨骼机器人的结构设计方案。其次,根据使用反馈提出了结构改进方案,并开展了负重状态下第二代外骨骼机器人的静力学分析及模态分析。最后,为进一步减轻整体质量开展了尺寸优化设计,优化后的整体质量相较于优化前第二代及第一代样机分别下降了19.34%和40.03%,验证了尺寸优化方案的可行性。2.针对舱外航天服关节阻力矩因迟滞特性导致建模困难的问题,开展了基于改进型J-A（Jiles-Atherton）模型的舱外航天服关节阻力矩迟滞特性模拟研究。首先,基于美国EMU（Extravehicular Mobility Unit）舱外航天服已有数据,开展了关节阻力矩的数据拟合,得到了EMU航天服肩、肘、髋、膝关节阻力矩与运动角度的迟滞关系。其次,分析了改进型J-A迟滞模型与关节阻力矩迟滞特性的相合性,提出了一种模拟退火-粒子群优化（Simulated Annealing-Particle Swarm Optimization,SA-PSO）算法去辨识J-A模型的参数,与已有的优化算法对比验证了所提出算法的有效性与性能优势。此外,辨识的J-A模型可对未知关节运动进行阻力矩预测。最后,针对建模误差特点设计了简单有效的误差补偿函数,进一步减小了对未知关节阻力矩的预测误差。3.考虑到人服（穿戴者-主动航天服）交互系统存在的交互力矩以及关节阻力矩,建立了面向模拟月表样品采集任务的关节助力外骨骼机器人非线性动力学模型。首先,通过分析航天员典型的出舱任务,设计了一种模拟月表样品采集任务,包括月表行走、下蹲站起与站立转移样品等动作。其次,搭建了悬吊式低微重力模拟实验架和人体运动信息采集系统,开展了完成模拟月表采样任务的关节运动特征研究。最后,基于已建立的动力学模型,开展了未着服、着服未充压、着服充压三种状态下的关节需用力矩与做功绝对值计算。相较于未着服状态,着服充压后月面行走和下蹲站起时的髋关节做功绝对值分别增长了289.05%和663.9%,理论计算结果验证了充压航天服对航天员关节运动的阻碍效果。4.考虑到非线性动力学模型存在的建模误差以及人服交互系统存在的外界干扰、设备负重变化以及受不同穿戴者影响等不确定性因素,提出了一种基于穿戴者-主动航天服交互的自适应导纳控制方法。首先,设计了一种基于自适应鲁棒模糊控制的位置内环,增强对给定参考轨迹的跟踪效果。其次,针对不同穿戴者或同一穿戴者处于不同状态,设计了一种自适应RBF（Radial Basis Function）神经网络控制器,用于整体逼近变化的人服交互模型。然后,设计了一种带时变刚度参数的力阻抗修正外环,减小人服交互系统的交互力与轨迹跟踪误差,通过模拟月表样品采集任务仿真验证了所提出控制算法的可行性与鲁棒性。最后,理论仿真结果证明了关节助力外骨骼机器人的运动助力效果。5.为了验证所提出的自适应导纳控制算法,搭建了主动航天服实验平台,用于开展关节助力外骨骼机器人随动助力试验。首先,从已设计的外骨骼机器人样机、硬件系统和软件系统等方面介绍了主动航天服。其次,在正常地面测试环境中完成对模拟月表样品采集任务的运动跟随试验,验证了自适应导纳控制器的运行稳定性以及对穿戴者运动轨迹的快速跟随性,且人服交互系统的轨迹跟踪误差与交互力均逐渐减小。最后,在模拟低微重力测试环境中开展了站立转移样品的运动助力试验,采集3名实验人员仅着模拟航天服与着主动航天服的心率值,根据心率值与耗氧量的经验公式,3名实验员耗氧量均下降且最大降低了9.72%,理论证明了关节助力外骨骼机器人的随动助力效果。