全球范围内由中风、脊髓损伤和物理伤害导致的手部功能障碍人数已超过5000万人。手部运动功能障碍使得患者失去生活自理能力，严重降低了患者的生活质量。然而，现有的手部辅助器具功能单一，且不能主动提供辅助力，因此研究手部助力外骨骼机器人协助患者完成对日常生活物品操作具有重要意义。基于此背景，本文围绕手部助力外骨骼机器人的系统设计、助力效果定量评估、被动人机交互控制、和主动人机交互控制展开研究。本文的主要工作与创新点归纳如下：

设计了一种能够辅助食指和拇指抓握的手部外骨骼，分析了机构的抓握灵巧性，保证抓握的有效性。依据文献统计，人手每天在不经意间会进行数千次抓握。为了保证手部外骨骼具有同样的抓握能力，本文设计了一款3个电机驱动的基于连杆传动的手部外骨骼。针对手指抓握特性，提出了一种基于冗余自由度的欠驱动机构，实现外骨骼对不同形状和大小物体的自适应抓握。建立了欠驱动机构的运动学和静力学，分析了该机构的抓握灵巧性，同时提出基于多目标遗传算法的外骨骼抓握力优化方法，保证抓握稳定性。最后对手部外骨骼样机进行了运动透明性和抓握灵巧性实验。实验结果表明该外骨骼可以帮助穿戴者抓握不同物体，具有抓握灵巧性。

提出了一种基于人体运动、人体生理和人体感受的手部助力外骨骼有效性评估框架，实现了手部助力外骨骼功能的定量评估。评估一款手部外骨骼功能的有效性对于手部外骨骼改进和用户使用都具有意义。本文提出从人体运动、生理、感受三个层面建立手部外骨骼有效性定量评估方法，设计了5个指标来定量评估所设计的外骨骼。同时，构建了手部助力外骨骼功能验证的实验范式。最后通过实验证明所提出的助力外骨骼有效性评估框架的可行性，同时证明了所设计的手部助力外骨骼能够贴近人手自然抓握动作和降低穿戴者用力和肌肉疲劳度。

提出了一种基于降维扩张状态观测器的手部外骨骼自抗扰控制和基于导纳控制的柔顺控制混合方法，保证人机交互安全。本文针对人手外骨骼耦合系统动力学建模难问题以及传统的PID控制抗扰性能差问题，设计了基于扩张状态观测器的自抗扰控制器实现对助力外骨骼的位置控制，分析控制器稳瞬态性能，以及证明了该控制器的有界输入有界输出稳定性。同时，也设计了基于降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器，分析了两种控制器的内在联系。最后比较了两种控制器的抗扰性能和抵抗噪声的能力。此外，本文设计基于导纳控制的手部外骨骼控制器，保证了人机交互的柔顺性。最后通过实验验证了所提控制方法的抗扰性能和柔顺性能。

提出了一种基于sEMG驱动肌肉骨骼模型的主动控制方法，实现用户对外骨骼在动态抓握任务场景下的主动控制。针对当前手部外骨骼辅助策略个性化差问题，本文首先建立基于Hill模型的神经肌肉骨骼模型，通过实验标定得到个性化肌肉骨骼模型。本文提出基于sEMG驱动个性化肌肉骨骼模型的受试者手指关节扭矩估计方法，然后设计了基于导纳控制的外骨骼控制器，实现了用户对外骨骼的主动控制辅助其抓握。主动控制方法通过评估用户的自主努力程度来调整外骨骼辅助程度。最后通过实验验证辅助策略的个性化和主动控制方法的有效性。