本书在分析了国内外下肢携行外骨骼系统的发展技术基础上，讨论了外骨骼这一人机系统控制的特殊性。从研究人体生物力学模型入手，分析了下肢步行的运动机理和主要特征；建立了系统控制模型，给出了外骨骼的全过程运动控制方法，并设计了迭代学习控制器；从人机穿戴耦合方式入手，解决了穿戴者与外骨骼服的匹配问题；最后，给出了携行外骨骼服样机控制系统实现。本书可以为从事外骨骼系统研究的专业技术人员在探索、创新过程中提供参考
，也可作为大专院校有关专业师生的参考读物。On the basis of analysing the domestic and foreign carrying lower extreme exoskeleton development，the special control problem about the system is introduced.The human biomechanics is studied and the movement mechanism and main characteristics of lower limbs walking are analysed.The control model is built，the total course movement control method is given.The iterative learning controller is also presented.The coupling of man-machine system is studied，which solved the matching problem between wearer and extreme exoskeleton suit.At the end，the control system relization of the carrying exoskeleton prototype is given.This book can provide reference for the professional technologist exploration and innovation.At the same time，it is a refrence book for the universities and colleges’ teachers and students.
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第1章 绪论 161.1 下肢携行外骨骼系统研究的背景与意义 16
1.2 下肢携行外骨骼系统发展现状 17
1.3 下肢携行外骨骼系统设计及控制的关键技术及发展现状 24
1.4 本书的主要内容 30
第2章 基于携行外骨骼系统的人体负荷行走建模与实验 322.1 人体下肢关节结构及运动步态分析 332.1.1 人体的基本面和基本轴 33
2.1.2 下肢步行运动机理 34
2.1.3 下肢关节结构及运动 35
2.1.4 步态特征 36
2.2 人体下肢负荷行走的动力学建模 372.2.1 人体模型的简化 38
2.2.2 关节中心和环节重心的计算 38
2.2.3 环节的角运动 43
2.2.4 关节动力学 46
2.3 人体负荷行走的步态实验 50
2.4 人体负荷行走的运动学方程及动力学分析 572.4.1 运动学分析 58
2.4.2 动力学分析 68
2.4.3 速度和负荷对步态参数的影响 72
2.4.4 人体行走生物力学在外骨骼系统中的应用 77
2.5 小结 78
第3章 下肢智能携行外骨骼系统模型建立 793.1 下肢智能携行外骨骼系统的基本描述 793.1.1 外骨骼系统的环节属性 79
3.1.2 坐标系定义 80
3.1.3 模态的划分 81
3.2 外骨骼系统的运动学模型 833.2.1 刚体的位姿描述 83
3.2.2 运动学模型 85
3.3 外骨骼系统的动力学模型 903.3.1 动力学建模方法 90
3.3.2 动力学数学模型建立 91
3.3.3 动力学模型仿真及分析 98
3.3.4 模型特性 100
3.4 ADAMS中虚拟样机模型的建立及仿真 1003.4.1 基于ADAMS模型的下肢携行外骨骼系统稳定性分析及仿真 102
3.4.2 外骨骼ZMP稳定性 102
3.4.3 虚拟样机模型的仿真及分析 105
3.5 人机外骨骼系统的虚拟样机建模与仿真研究 1103.5.1 九连杆虚拟人体简化模型仿真分析 110
3.5.2 虚拟人体模型的建立及仿真分析 111
3.5.3 人机外骨骼系统模型建立及仿真 120
3.6 SimMechanics中虚拟样机模型的建立及仿真 123
3.7 小结 125
第4章 下肢智能携行外骨骼系统全过程运动控制 1264.1 摆动阶段的虚拟关节力矩控制 1264.1.1 单自由度连杆的虚拟力矩控制实现 128
4.1.2 基于快速终端滑模的鲁棒控制器设计 130
4.1.3 基于神经网络的骨骼服动态模型辨识 134
4.1.4 外骨骼服的虚拟力矩控制的实现 136
4.2 支撑阶段控制的位置控制 1394.2.1 支撑阶段位置控制 139
4.2.2 基于固定重力补偿的位置控制 142
4.2.3 基于固定重力补偿的模糊自适应位置控制 143
4.2.4 外骨骼服位置控制实现 146
4.3 状态转移控制 151
4.4 行走模态预测 151
4.5 小结 155
第5章 外骨骼服迭代学习控制方法研究 1565.1 外骨骼服迭代学习控制 1565.1.1 外骨骼服迭代学习控制器设计 156
5.1.2 外骨骼服迭代学习控制收敛性 157
5.2 迭代学习控制器的实现 165
5.3 小结 167
第6章 基于静定结构的人机穿戴耦合方式 1686.1 不可控内力的产生因素 1686.1.1 关节匹配误差因素 168
6.1.2 超静定结构因素 170
6.2 人服系统两链原理 1706.2.1 两链原理 170
6.2.2 链接度的属性 171
6.2.3 互联件的设计要求 172
6.2.4 链接度的计算 173
6.3 链接度限制条件的证明 1766.3.1 静定平衡条件 176
6.3.2 空间维数条件 177
6.3.3 链接度限制条件的推导 178
6.4 穿戴耦合方式的实现 1806.4.1 应用分析 180
6.4.2 外骨骼服构件的实现 182
6.5 小结 183
第7章 外骨骼控制系统样机设计及实现 1857.1 外骨骼服第一代样机的设计与实现 1867.1.1 系统组成 186
7.1.2 工作原理 187
7.1.3 性能指标 191
7.2 外骨骼服第二代样机的设计与实现 1917.2.1 系统组成 191
7.2.2 工作原理 193
7.2.3 电机输出转矩的确定 193
7.2.4 拉索式电机驱动结构 196
7.2.5 性能指标 197
7.3 外骨骼服第三代样机的设计与实现 1987.3.1 样机的改进 198
7.3.2 腰环与背架连接方式及受力分析 200
7.3.3 样机实验 201
7.3.4 性能指标 204
7.4 小结 205
参考文献 207
内容简介 214
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