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| 編輯推薦： |
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作为一本有关外骨骼机器人的专著，本书的章节设计基本满足要求。书稿内容具有一定的专业性，针对人体上肢外骨骼康复训练机器人以及下肢外骨骼机器人的原理和结构设计进行了阐述，适合外骨骼机器人设计与开发等相关技术人员以及对外骨骼机器人有兴趣的读者阅读。
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| 內容簡介： |
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外骨骼机器人在单兵军事作战装备、医疗康复、救灾救援、公共安全、教育娱乐、重大科学研究等方面都有重要应用。在我国劳动力成本快速上涨，人口老龄化问题日益严重的形势下，外骨骼机器人发展的潜力巨大。本书在分析外骨骼机器人国内外研发现状的基础上，以中风患者的康复训练外骨骼机器人、下肢助力外骨骼机器人为例，重点介绍外骨骼康复训练机器人的机械设计、驱动方式与控制策略。介绍针对外骨骼机器人驱动器的自适应鲁棒控制的交叉耦合同步控制策略。同时介绍如何将深度学习技术融入外骨骼机器人操作者的行为动态分析中，提高外骨骼机器人的随动控制效率和准确率。 本书可以作为外骨骼机器人设计与开发等相关技术人员的参考书，对外骨骼机器人有兴趣的读者也可以从本书中得到启迪。
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| 關於作者： |
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蒋磊，博士毕业于美国西弗吉尼亚大学机械工程系，目前在中国矿业大学（北京）从事专职教师工作，主要从事自适应控制，智能控制，外骨骼机器人方面的研究.
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| 目錄：
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第1章绪论1
1.1外骨骼机器人研究意义1
1.2外骨骼机器人研究现状2
1.3医用外骨骼机器人研究现状5
1.4外骨骼机器人控制策略现状8
1.5本章小结10
第2章扭绳驱动技术研究11
2.1扭绳驱动方式结构12
2.2扭绳驱动方式的数学模型13
2.3扭绳驱动方式数学模型的实验验证16
2.4本章小结25
第3章外骨骼机器人的机械设计26
3.1人体上肢解剖学结构26
3.2人体上肢动力学建模研究28
3.3外骨骼机器人设计标准33
3.4可穿戴外骨骼康复训练机器人的机械结构设计34
3.4.1目标人群的身材尺寸34
3.4.2上肢外骨骼康复训练机器人机械本体设计37
3.4.3上肢外骨骼康复训练机器人驱动结构设计40
3.4.4上肢外骨骼康复训练机器人肩部串联结构设计41
3.5本章小结43
目录外骨骼机器人控制原理与设计第4章外骨骼机器人控制研究44
4.1上肢外骨骼机器人单轴控制44
4.1.1系统建模45
4.1.2直流电机传递函数46
4.1.3扭绳传递函数48
4.2双端反向对拉扭绳驱动器的初始化50
4.3扭绳驱动关节同步控制研究52
4.3.1扭绳驱动关节同步系统实验装置52
4.3.2扭绳驱动关节同等控制策略研究55
4.3.3扭绳驱动关节的交叉耦合同步控制策略研究58
4.3.4扭绳驱动关节基于LQR的优化控制研究61
4.4本章小结73
第5章外骨骼机器人自适应鲁棒控制74
5.1系统的非线性74
5.2自适应鲁棒控制75
5.2.1自适应控制器设计75
5.2.2自适应鲁棒控制器设计77
5.3基于自适应鲁棒的交叉耦合同步控制策略83
5.4基于Arduino Uno的自适应鲁棒控制器实现89
5.4.1Arduino的介绍89
5.4.2Arduino Uno的多机通信90
5.4.3控制算法的移植91
5.5本章小结92
第6章人体上肢运动特征分析93
6.1上肢运动轨迹识别93
6.1.1人体骨骼的坐标表示93
6.1.2肩关节和肘关节转动角度计算方法95
6.2基于卡尔曼滤波器上肢轨迹跟踪预测96
6.2.1卡尔曼滤波器原理介绍97
6.2.2卡尔曼滤波器在轨迹跟踪预测中的应用97
6.2.3上肢运动轨迹跟踪预测算法98
6.2.4实验结果分析99
6.3人体上肢运动轨迹跟踪103
6.4本章小结105
第7章下肢生理结构与运动机理106
7.1人体空间坐标系106
7.2下肢关节及其运动特点107
7.3步态特征分析110
7.4步态周期划分111
7.5数据采集系统方案设计112
7.5.1姿态角度传感器113
7.5.2微控制器STM32F051K8114
7.5.3运动处理单元MPU9250115
7.5.4四元数与欧拉角115
7.5.5压力传感器117
7.6传感器部署方案118
7.7实验数据采集119
7.7.1姿态角度传感器数据采集119
7.7.2压力传感器数据采集122
7.7.3实验数据123
7.8本章小结125
第8章下肢外骨骼步态预测方法126
8.1栈式自编码器126
8.2长短时记忆神经网络128
8.3SAELSTM模型构建129
8.4SAELSTM模型优化算法131
8.4.1梯度下降法131
8.4.2Momentum算法133
8.4.3Adagrad算法134
8.4.4RMSprop算法135
8.4.5Adam算法136
8.5SAELSTM神经网络训练流程137
8.6实验过程139
8.6.1实验环境139
8.6.2实验结果与分析139
8.7本章小结144
参考文献145
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| 內容試閱：
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随着机器人技术的快速发展，机器人已经深入人类生活的各个领域。机器人可以承担复杂多样的任务，代替或协助人类完成各项工作，大大提高了生产效率。外骨骼的概念来源于节肢动物为保护和支撑身体、帮助行动的坚硬外部结构。而人类则能通过机械传动和控制系统仿生出机械外骨骼，让人跑得更快、跳得更高、负重更多。机械外骨骼既能够帮助行动不便的人提高行动能力，也可以让正常人拥有更强的力量与更快的速度，完成更加困难的战斗或工业生产任务。
可穿戴型外骨骼机器人可以增强个人在完成特定任务时的能力，外骨骼机器人和操纵者组成的人机一体化系统具有更好的环境适应能力。未来的外骨骼机器人能够应用在单兵军事作战装备、医疗康复、救灾救援、公共安全、教育娱乐、重大科学研究等方面。随着我国劳动力成本快速上涨、人口红利逐渐消失，未来人体的机能需要不断提升，甚至要远远超越自身极限，外骨骼机器人发展潜力巨大。
在世界范围内，中风是造成神经永久性损伤的首要原因，其致死率排在心脏病和癌症之后，是目前造成人类死亡的第三大疾病。每年全世界约有1500万人新患中风，其中三分之一的患者因此失去生命。随着我国社会经济的发展与科技水平的提高，人们对于中风患者中风后的医疗质量寄予了更高的期望。中风患者更是希望通过中风后的康复治疗，恢复部分肢体功能，早日重新回归社会，重新拥有正常的生活与工作。目前我国中风患者的康复训练基本依靠治疗医师的帮助，但现有的医师数量与中风患者的数量比例极度失衡，昂贵的康复训练费用也使很多患者的治疗无法保证。科技的发展以及全社会不断加大对中风患者的关注，推动了康复训练外骨骼机器人的出现，这在很大程度上帮助中风患者解决上述问题。
本书将详细分析外骨骼机器人的国内外研究现状，重点介绍外骨骼训练机器人的机械设计、驱动方式与控制策略，提出以中风康复训练为核心的外骨骼机器人设计方法。介绍一种新型的扭绳驱动方式，这种驱动方式能量消耗少、易于控制、响应速度快并且可将驱动器放置在远离上肢外骨骼康复训练机器人驱动关节的位置，从而减少穿戴康复机器人的患者的负担。本书在介绍扭绳驱动方式机制的基础上，将着重分析扭绳驱动方式的理论模型，对扭绳驱动理论模型的正确性和稳定性进行实验验证。结合具体的实验数据深入分析扭绳驱动方式的重复使用性、迟滞性、自我缠绕以及在不同配置下扭绳所具有不同的运动特性等问题。本书将阐述针对扭绳驱动装置的非线性自适应鲁棒控制器的设计原理，通过理论分析和实验证明自适应鲁棒控制器在控制扭绳驱动关节转动的过程中具有良好的瞬态和稳态性能。本书将根据人体下肢生理结构与运动机理，对行走步态进行分析与周期划分，设计开发行走步态数据采集系统，后建立下肢外骨骼步态预测模型（SAELSTM），用于提高外骨骼机器人的随动控制效率和准确率。
由于作者的学识与研究水平有限，研究领域与视角不够宽阔，书中一定有很多不尽如人意的地方，敬请相关专家和读者指正。
作者2021年10月
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