描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787547847954
本书的写作特色和亮点如下：
1. 作者根据多年来对人机交互和仿生机械的自主研发成果，围绕可穿戴下肢外骨骼人机协同运动进行撰写，研究具有独创性、世界前沿性和广泛的应用前景。
2. 相关研究将人的智力和机器人的“体力”完美地结合在一起，参考应用领域包括军事、医疗康复和工程助力等，特别在国防科技、制造业、农业、建筑业及抢险救灾等任务繁重且灵活性较强的领域有重要和实际参考价值。
3. 书中展示的自主研发样机参展上海“第21届中国国际工业博览会”，并获广泛关注和好评。书后附多幅精美高清彩色插图，逼真、完美呈现作者的研发场景和成果。
4.相关研究响应民政部、上海市倡议，积极参与康复辅助器具产业研发，推进“健康上海”“健康中国”建设；并作为上海大学医工结合一流学科方向建设的核心研究内容之一，得到国家自然科学基金委员会和上海市教委的大力支持。
5.本书纳入“智能机电技术丛书”，丛书*部《虚拟仪器的测量不确定度评定方法研究》已于近期出版。丛书致力于智能机电技术领域前沿问题研究及未来应用探究，融入大量的实验或仿真工作，有一定的学术和参考价值。
《可穿戴下肢外骨骼人机协同设计与实验研究》一书，以可穿戴下肢外骨骼为研究对象，系统介绍了下肢外骨骼系统建模和基于人体数据采集的外骨骼传感系统，通过遗传算法的步态轨迹规划、自适应迭代的单腿协同、RBF神经网络的步态预测，对可穿戴外骨骼进行人机协同与实验设计，并研发了一套可穿戴下肢外骨骼设备。
第1章 绪论
1.1 下肢外骨骼国内外研究概况
1.1.1 国外研究概况
1.1.2 国内研究概况
1.2 下肢外骨骼人机协同运动的关键问题
1.2.1 人体下肢行走机理分析
1.2.2 下肢外骨骼仿生学构型设计
1.2.3 下肢外骨骼系统建模与人机协同
1.2.4 人体下肢步态预测
第2章 下肢外骨骼系统建模与仿真
2.1 OpenSim建模仿真
2.1.1 人体下肢模型逆向动力学仿真
2.1.2 下肢肌肉骨骼的动力学建模与求解
2.1.3 人体下肢模型动力学正解仿真
2.2 外骨骼机器人三维造型与仿真分析
2.2.1 外骨骼机器人的造型方案
2.2.2 外骨骼机器人的各部件参数
2.2.3 外骨骼机器人运动学仿真验证
2.2.4 人体下肢与外骨骼机器人耦合方式
2.2.5 人机耦合模型仿真结果
2.3 本章小结
第3章 人体数据采集的外骨骼传感系统
3.1 Kinect的骨骼识别与动作识别
3.1.1 Kinect骨骼跟踪原理
3.1.2 骨骼数据获取
3.1.3 骨骼数据的处理
3.1.4 Unity 3D与Kinect的配合
3.1.5 根据关节点对动作进行提取
3.1.6 动作识别的方式
3.1.7 动作规划中的算法
3.2 脑电信号下的人体数据采集
3.2.1 大脑的结构及功能分区
3.2.2 脑电信号的产生
3.2.3 脑电信号的采集
3.2.4 信号采集注意事项
3.3 脑电信号下的人体下肢运动实验
3.3.1 运动性疲劳概述
3.3.2 脑疲劳电信号的采集方法
3.3.3 脑电信号的频率（谱）特征提取
3.3.4 实验测试数据处理
3.3.5 实验1： 走路实验
3.3.6 实验2： 蹲起实验
3.4 本章小结
第4章 遗传算法的下肢外骨骼步态轨迹规划
4.1 下肢外骨骼虚拟原型设计及其数学模型
4.1.1 6个自由度人体单腿生物学模型
4.1.2 下肢外骨骼模型
4.1.3 运动学模型及六点步态轨迹描述法
4.2 遗传基因优化算法
4.2.1 关节轨迹优化
4.2.2 优化评估方程
4.2.3 遗传基因算法设计
4.3 仿真实验及结果分析
4.4 本章小结
第5章 混联下肢外骨骼人机运动匹配
5.1 人体下肢行走机理分析
5.1.1 人体基本切面和基本轴
5.1.2 人体下肢关节结构及运动特性
5.1.3 人体下肢肌肉-骨骼模型
5.2 基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型
5.2.1 混联下肢外骨骼构型
5.2.2 混联外骨骼髋关节运动学模型
5.2.3 髋关节人机运动匹配分析
5.3 本章小结
第6章 下肢外骨骼人机交互系统
6.1 物理型下肢外骨骼单腿建模
6.1.1 矢状面步态分析
6.1.2 摆动相动力学建模
6.1.3 支撑相动力学建模
6.1.4 物理型人机交互建模
6.2 自适应迭代学习的外骨骼单腿协同
6.2.1 迭代学习控制算法
6.2.2 自适应迭代学习控制器设计
6.2.3 步态跟踪仿真
6.3 本章小结
第7章 模型分块逼近的RBF神经网络步态预测
7.1 基于时间序列的步态预测
7.1.1 基于卡尔曼滤波的步态预测
7.1.2 基于牛顿预测器的步态预测
7.2 RBF神经网络步态预测
7.2.1 RBF神经网络算法
7.2.2 下肢模型逼近
7.2.3 步态预测策略
7.2.4 矢状面步态预测结果
7.3 本章小结
第8章 人体下肢步态捕捉实验设计
8.1 人体步态捕捉方案与实验
8.1.1 捕捉方案简介
8.1.2 步态捕捉光学系统
8.1.3 实验设计
8.1.4 步态捕捉
8.2 步态捕捉结果及数据分析
8.3 本章小结
第9章 下肢外骨骼的样机设计及实物展示
9.1 总体设计方案
9.2 样机结构设计
9.2.1 腰部
9.2.2 髋关节和膝关节
9.2.3 踝关节及足部
9.3 样机系统设计
9.3.1 外骨骼机器人驱动系统
9.3.2 外骨骼机器人控制系统
9.3.3 关节执行器方案选择
9.4 样机实物
9.5 展望
参考文献
《可穿戴下肢外骨骼人机协同设计与实验研究》彩色插图
我国人口老龄化问题日益严重。截至2018年年底，我国60岁以上的老龄人口已接近2.5亿，约占总人口的17%；上海已成为我国人口老龄化程度较高的城市之一。2016年，国务院发布的《关于加快发展康复辅助器具产业的若干意见》指出，我国是世界上康复辅助器具需求人数最多、市场潜力最大的国家，康复辅助器具产业是“健康中国”的重要组成部分。民政部、上海市人民政府签署的《共同建设国家现代民政示范区合作协议》提到，积极推进具有中国特色和上海特点的上海地区康复辅助器具产业综合创新示范工作，推进“健康上海”建设。
在工程中，机械外骨骼或称动力外骨骼，是一种由人造框架所构成的、可由人员穿戴的某种机器装备，通过这个装备提供给穿戴者额外的力量、速度或其他能力。
下肢外骨骼可以帮助行动能力减弱的老年人及肢体残障患者，恢复行为能力或辅助其进行康复训练。下肢外骨骼也可以显著提高肢体健全穿戴者的力量、耐力水平，增加其工作效率。人机协同的下肢外骨骼甚至可以完成人力所无法完成的高危或繁重的作业，其在诸如抢险救灾、搜索失踪人员，以及物资救援、建筑施工、地质科考等方面都有广泛的应用前景。
另外，为提升单兵战斗能力，世界各国都在努力利用高新科技武装士兵，提高本国军队的单兵作战能力。但在不断提升单兵防护性、火力及信息化能力的同时，士兵的负荷量也不可避免地大幅增加。而可穿戴下肢外骨骼便是理想的解决方案，它可以替士兵负担额外的重量，携带更多防护装备和弹药补给，延长有效作战时间。
国外对于外骨骼机器人的研究经历了很长的时间，美国陆军外弹道实验室于1963年发表的相关研究报告，详细阐述了他们从1951年开始进行的一项名为“有源矫正辅助器”的工作，较为全面地阐述了有源外骨骼机器人装置的工程设计问题。国内对于外骨骼机器人的研究开展得相对较晚，2004年后才有少量文献涉及。目前，浙江大学、中国科技大学、华东理工大学、中国人民解放军海军航空大学等多所高校及科研单位都已经开展了有关外骨骼机器人的研究，并取得了一定的成果。
本书围绕下肢外骨骼系统建模做了以下研究： 建立下肢肌肉-骨骼模型，利用肌肉控制算法，对所建立的人体下肢模型进行步行状态采集，得到人体运动所需的肌肉力、能量消耗等生理学曲线；构造人体-外骨骼机器人耦合模型，对该模型进行运动学与动力学仿真，得到耦合模型的人体生理学曲线，对比人体下肢肌肉-骨骼模型的仿真结果，可判别人机耦合程度。仿真结果可作为可穿戴下肢外骨骼实验设计和样机开发的基础。与国内外同类专著相比，本书侧重介绍人机交互理论、实验设计及可穿戴下肢外骨骼的自主研发。
本书在外骨骼系统建模的基础上，重点开展人机协同的实验设计与控制算法研究，具体包括以下几个方面：
（1） 从解剖学角度出发，分析了人体下肢结构及其运动特性。基于“完全拟人化”的设计思想，提出了基于混联机构的20个自由度的下肢外骨骼模型。其中，盆骨为6个自由度；对单腿而言，髋关节和踝关节分别为3个自由度、膝关节为1个自由度。此外，分析了混联下肢外骨骼模型在髋关节处的人机运动匹配问题。
（2） 将复杂的混联下肢外骨骼模型简化为矢状面的单腿模型进行分析。基于拉格朗日法建立了下肢外骨骼单腿支撑相、摆动相的动力学模型及物理型人机交互模型。采用自适应迭代学习控制方法，实现了下肢外骨骼的人机协同运动，并分析了人机交互力矩对人机协同控制误差的影响。
（3） 采用模型分块逼近的RBF神经网络策略，对穿戴者下一步态周期的步态运动进行预测。结合步态采集实验结果，对步态预测的效果进行了评估。
（4） 基于光学运动测量系统，设计了步态捕捉实验，获取了多种步态模式下的下肢各关节角度数据，为混联下肢外骨骼的人机运动匹配、矢状面内下肢外骨骼单腿协同运动控制，以及髋关节步态预测等工作奠定了实验基础。
本书在介绍了下肢外骨骼系统建模、人体传感数据采集、人机协同控制算法等理论研究的基础上，展示了上海大学自主研发的可穿戴下肢外骨骼样机，该样机参展上海“第21届中国国际工业博览会”，获得了广泛关注和一致好评。
本书是作者多年来在人机交互机械领域的研究成果，也是上海大学医工结合一流学科方向建设的核心研究内容之一。
本书是在控制理论的基础上，对人机交互领域的深入探讨。本书的研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（51775325）、上海市高水平地方高校试点建设医工结合项目、上海市高校高峰高原学科建设计划、上海东方学者计划（QD2016033）、香港香江学者计划（XJ2013015）的联合资助。
本书的编写参考了国内外相关著作，在此致以诚挚的谢意。
感谢上海大学机电工程与自动化学院的领导对本书研究工作的支持与帮助。感谢参与相关研究的罗序荣、刘建伟、
潘韫杰、赵中铭、
丁钰杰、沈彩怡等同学。
任 彬
2020年1月
于上海大学宝山校区
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