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1.前言

    隨著年齡的增長，人體肌肉力量逐漸衰弱，其中下肢肌肉力量的衰減較為明顯，以至于影響到老年人的行走能力，下肢助力外骨骼是一種穿戴在使用者下肢外部，進(jìn)行助力行走及康復(fù)訓(xùn)練的人機(jī)一體化系統(tǒng)，故下肢外骨骼的研究對緩解日益嚴(yán)重的老齡化問題具有重要意義，此外，下肢外骨骼還可應(yīng)用于交通、軍事、救援、科考等諸多領(lǐng)域，減緩工作人員的體力消耗，提高工作效率。
    作者從2006年開展博士課題以來，一直致力于下肢外骨骼系統(tǒng)的研究，經(jīng)過十余年的努力，在下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿生驅(qū)動(dòng)和智能控制等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了相關(guān)的理論成果，并試制了基于人工氣動(dòng)肌肉、多模式彈性驅(qū)動(dòng)器、液壓等驅(qū)動(dòng)的下肢外骨骼樣機(jī)，通過實(shí)踐，對下肢外骨骼系統(tǒng)有了深刻認(rèn)識(shí)，同時(shí)，在借鑒國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，特編著此書，本書的主要內(nèi)容如下：
    第一章緒論。首先回顧了下肢外骨骼國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，國外對外骨骼系統(tǒng)的研究起步較早，無論是用來增強(qiáng)穿戴者運(yùn)動(dòng)能力和負(fù)重能力的外骨骼，還是用于輔助老年人和肌體損傷人士的助力行走康復(fù)外骨骼，都進(jìn)行了相關(guān)研究。我國與國際研究水平相比仍有較大差距，因此研究下肢外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)對緩解我國的老齡化壓力等具有重要的意義。
    第二章人體下肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。人體生物力學(xué)是下肢外骨骼機(jī)器人研究的基礎(chǔ)，進(jìn)行人體行走運(yùn)動(dòng)機(jī)理、人體行走過程中下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究，無論是對機(jī)構(gòu)的仿生學(xué)設(shè)計(jì)還是復(fù)雜運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制都將具有重要的借鑒意義。
    第三章仿生驅(qū)動(dòng)器的研究。仿生驅(qū)動(dòng)器技術(shù)是下肢外骨骼關(guān)鍵技術(shù)之一，決定下肢外骨骼機(jī)器人的性能優(yōu)越，進(jìn)行電機(jī)串聯(lián)彈簧的驅(qū)動(dòng)器的研究、多模式彈性驅(qū)動(dòng)器的研究及類肌肉仿生驅(qū)動(dòng)器的研究，并進(jìn)行了仿生驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用研究。
    第四章下肢外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析?；谌梭w行走運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，進(jìn)行下肢外骨骼的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。建立下肢外骨骼機(jī)械腿的多連桿動(dòng)力學(xué)模型，對下肢外骨骼機(jī)械腿的支撐相、擺動(dòng)相等動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的仿真分析研究。
    第五章下肢外骨骼機(jī)械腿的擺動(dòng)控制研究。首先基于導(dǎo)納模型對膝關(guān)節(jié)外骨骼進(jìn)行控制研究，并研究融合肌電信號(hào)及穿戴者肌肉力估計(jì)的自適應(yīng)振蕩器控制。其后，進(jìn)行下肢外骨骼機(jī)械腿髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制研究。
    第六章下肢外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)的人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)研究。以踝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)踝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)構(gòu)、研制足底測力系統(tǒng)、基于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行踝足外骨骼控制系統(tǒng)研究，并進(jìn)行踝足外骨骼系統(tǒng)行走實(shí)驗(yàn)研究，對其助力效果進(jìn)行評價(jià)。
    本書在編著過程中得到了導(dǎo)師東南大學(xué)王興松教授的指導(dǎo)，南京航空航天大學(xué)的賈山對本書的編著提供了支撐，南京工程學(xué)院的史金飛、朱松青教授對本書的編著給予了大力支持，我的研究生們在本書的編撰過程中也給予了諸多幫助，謹(jǐn)此一并致以衷心感謝!
    本書的工作是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51205182）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK2012474）、中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2014M561548）、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才第十四批項(xiàng)目（JXQC-015）、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（社會(huì)發(fā)展）項(xiàng)目（BE2019724）資助下開展的，在此一并表示感謝。本書在編寫過程中參考了國內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)，在此向所有的作者表示誠摯的謝意!
     限于作者的學(xué)識(shí)水平，本書的內(nèi)容體系難免存在不足，衷心希望廣大讀者給予批評和指教。

                                                                   韓亞麗2019年8月

2.目錄

第一章緒論1
11研究背景和意義1
12下肢外骨骼的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2
121用于人體負(fù)重行走的下肢外骨骼國外研究現(xiàn)狀2
122用于助老助殘的下肢助力外骨骼國外研究現(xiàn)狀4
123國內(nèi)外骨骼研究概況6
13本書的主要內(nèi)容11
第二章人體下肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)18
21人體下肢關(guān)節(jié)及運(yùn)動(dòng)18
2.1.1髖關(guān)節(jié)19
2.1.2膝關(guān)節(jié)19
2.1.3踝關(guān)節(jié)19
22人體運(yùn)動(dòng)圖像采集與分析20
221圖像采集系統(tǒng)介紹21
222人體行走運(yùn)動(dòng)學(xué)研究23
223人體行走動(dòng)力學(xué)研究32
224人體行走運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析36
225背部負(fù)重行走下的人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)研究38
226不同行走速度下的人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)研究43
227不同負(fù)重方式下的人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)研究49
23人體運(yùn)動(dòng)生物電采集與分析51
231表面肌電信號(hào)系統(tǒng)概述51
232表面肌電信號(hào)的分析方法52
233表面肌電信號(hào)實(shí)驗(yàn)及分析54
第三章仿生驅(qū)動(dòng)器的研究60
31串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器61
311彈性驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力學(xué)模型61
312剛度系數(shù)變化對彈性驅(qū)動(dòng)器性能的影響65
32多模式彈性驅(qū)動(dòng)器67
321第一代彈性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)及分析68
322第二代彈性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)及分析86
323第三代彈性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)及分析104
33類肌肉仿生驅(qū)動(dòng)器112
331基于生物肌肉啟發(fā)的仿生驅(qū)動(dòng)器原理分析113
332類肌肉仿生驅(qū)動(dòng)器方案設(shè)計(jì)114
333類肌肉仿生驅(qū)動(dòng)器的仿真分析120
334類肌肉仿生驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究138
第四章下肢外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析150
41動(dòng)力學(xué)建模方法分析150
42基于拉格朗日法的下肢外骨骼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析及仿真151
421單腳支撐行走模式152
4.22雙腳支撐行走模式157
423一腳虛觸地的雙腳支撐行走模式162
424下肢助力外骨骼動(dòng)力學(xué)仿真166
43基于達(dá)朗伯—拉格朗日法的下肢外骨骼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析及仿真
171
4.31下肢外骨骼“二狀態(tài)”動(dòng)力學(xué)模型171
4.32CSP狀態(tài)下的各關(guān)節(jié)扭矩計(jì)算174
433CSP狀態(tài)下的足底力計(jì)算187
434NSP狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)模型193
4.35下肢外骨骼動(dòng)力學(xué)模型的仿真驗(yàn)證196
4.36下肢外骨骼動(dòng)力學(xué)模型的修正199
第五章下肢外骨骼機(jī)械腿的擺動(dòng)控制研究202
51膝關(guān)節(jié)康復(fù)外骨骼的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)202
52膝關(guān)節(jié)康復(fù)外骨骼控制平臺(tái)的搭建203
521硬件平臺(tái)203
522控制系統(tǒng)整體框架204
5.3膝關(guān)節(jié)康復(fù)外骨骼動(dòng)力學(xué)建模205
531基于慣量補(bǔ)償?shù)膶?dǎo)納控制研究206
532控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件分析207
54膝關(guān)節(jié)康復(fù)外骨骼自適應(yīng)頻率振蕩器模型及仿真210
541自適應(yīng)頻率振蕩器模型210
542自適應(yīng)頻率振蕩器的仿真211
55膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)械腿的基于肌電信號(hào)學(xué)習(xí)的導(dǎo)納控制研究213
551學(xué)習(xí)模式214
552助力模式224
56膝關(guān)節(jié)康復(fù)外骨骼的基于人體力矩估算的導(dǎo)納控制研究229
561系統(tǒng)簡介229
562實(shí)驗(yàn)結(jié)果232
57膝關(guān)節(jié)康復(fù)外骨骼的控制綜合分析233
571兩種控制方法對比分析233
572慣量補(bǔ)償?shù)男Ч治?35
58下肢康復(fù)機(jī)械腿的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)237
59下肢康復(fù)機(jī)械腿控制及實(shí)驗(yàn)240
第六章下肢外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)的人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)研究
——以踝關(guān)節(jié)助力外骨骼為例245
61踝關(guān)節(jié)助力外骨骼的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)245
611踝關(guān)節(jié)助力外骨骼的機(jī)械系統(tǒng)需求分析245
612踝關(guān)節(jié)助力外骨骼的整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)246
613踝關(guān)節(jié)助力外骨骼關(guān)鍵部件的選型校核247
614踝關(guān)節(jié)助力外骨骼的虛擬樣機(jī)仿真252
62基于足底測力系統(tǒng)的步態(tài)識(shí)別255
621足底測力系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)256
622足底測力系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)258
623足底測力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究260
624基于模糊理論的步態(tài)識(shí)別算法設(shè)計(jì)263
63踝關(guān)節(jié)助力外骨骼的控制及實(shí)驗(yàn)研究267
631踝關(guān)節(jié)外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹267
632步態(tài)識(shí)別算法在踝關(guān)節(jié)外骨骼的應(yīng)用研究268
633基于力矩閉環(huán)的PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制270
634踝關(guān)節(jié)助力外骨骼樣機(jī)控制效果研究273
附錄A279
附錄B281