第1章 绪论 1
1.1 下肢携行外骨骼系统研究的背景与意义 1
1.2 下肢携行外骨骼系统发展现状 2
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 9
1.4 本书的主要内容 15
第2章 基于携行外骨骼系统的人体负荷行走建模与实验 17
2.1 人体下肢关节结构及运动步态分析 18
2.1.1 人体的基本面和基本轴 18
2.1.2 下肢步行运动机理 19
2.1.3 下肢关节结构及运动 20
2.1.4 步态特征 21
2.2 人体下肢负荷行走的动力学建模 22
2.2.1 人体模型的简化 23
2.2.2 关节中心和环节重心的计算 23
2.2.3 环节的角运动 28
2.2.4 关节动力学 31
2.3 人体负荷行走的步态实验 35
2.4 人体负荷行走的运动学方程及动力学分析 42
2.4.1 运动学分析 43
2.4.2 动力学分析 53
2.4.3 速度和负荷对步态参数的影响 57
2.4.4 人体行走生物力学在外骨骼系统中的应用 62
2.5 小结 63
第3章 下肢智能携行外骨骼系统模型建立 64
3.1 下肢智能携行外骨骼系统的基本描述 64
3.1.1 外骨骼系统的环节属性 64
3.1.2 坐标系定义 65
3.1.3 模态的划分 66
3.2 外骨骼系统的运动学模型 68
3.2.1 刚体的位姿描述 68
3.2.2 运动学模型 70
3.3 外骨骼系统的动力学模型 75
3.3.1 动力学建模方法 75
3.3.2 动力学数学模型建立 76
3.3.3 动力学模型仿真及分析 83
3.3.4 模型特性 85
3.4 ADAMS中虚拟样机模型的建立及仿真 85
3.4.1 基于ADAMS模型的下肢携行外骨骼系统稳定性分析及仿真 87
3.4.2 外骨骼ZMP稳定性 87
3.4.3 虚拟样机模型的仿真及分析 90
3.5 人机外骨骼系统的虚拟样机建模与仿真研究 95
3.5.1 九连杆虚拟人体简化模型仿真分析 95
3.5.2 虚拟人体模型的建立及仿真分析 96
3.5.3 人机外骨骼系统模型建立及仿真 105
3.6 SimMechanics中虚拟样机模型的建立及仿真 108
3.7 小结 110
第4章 下肢智能携行外骨骼系统全过程运动控制 111
4.1 摆动阶段的虚拟关节力矩控制 111
4.1.1 单自由度连杆的虚拟力矩控制实现 113
4.1.2 基于快速终端滑模的鲁棒控制器设计 115
4.1.3 基于神经网络的骨骼服动态模型辨识 119
4.1.4 外骨骼服的虚拟力矩控制的实现 121
4.2 支撑阶段控制的位置控制 124
4.2.1 支撑阶段位置控制 124
4.2.2 基于固定重力补偿的位置控制 127
4.2.3 基于固定重力补偿的模糊自适应位置控制 128
4.2.4 外骨骼服位置控制实现 131
4.3 状态转移控制 136
4.4 行走模态预测 136
4.5 小结 140
第5章 外骨骼服迭代学习控制方法研究 141
5.1 外骨骼服迭代学习控制 141
5.1.1 外骨骼服迭代学习控制器设计 141
5.1.2 外骨骼服迭代学习控制收敛性 142
5.2 迭代学习控制器的实现 150
5.3 小结 152
第6章 基于静定结构的人机穿戴耦合方式 153
6.1 不可控内力的产生因素 153
6.1.1 关节匹配误差因素 153
6.1.2 超静定结构因素 155
6.2 人服系统两链原理 155
6.2.1 两链原理 155
6.2.2 链接度的属性 156
6.2.3 联件的设计要求 157
6.2.4 链接度的计算 158
6.3 链接度限制条件的证明 161
6.3.1 静定平衡条件 161
6.3.2 空间维数条件 162
6.3.3 链接度限制条件的推导 163
6.4 穿戴耦合方式的实现 165
6.4.1 应用分析 165
6.4.2 外骨骼服构件的实现 167
6.5 小结 168
第7章 外骨骼控制系统样机设计及实现 170
7.1 外骨骼服第一代样机的设计与实现 171
7.1.1 系统组成 171
7.1.2 工作原理 172
7.1.3 性能指标 176
7.2 外骨骼服第二代样机的设计与实现 176
7.2.1 系统组成 176
7.2.2 工作原理 178
7.2.3 电机输出转矩的确定 178
7.2.4 拉索式电机驱动结构 181
7.2.5 性能指标 182
7.3 外骨骼服第三代样机的设计与实现 183
7.3.1 样机的改进 183
7.3.2 腰环与背架连接方式及受力分析 185
7.3.3 样机实验 186
7.3.4 性能指标 189
7.4 小结 190
参考文献 192