外骨骼机器人控制原理与设计

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。

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。

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.

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
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
8.3SAE-LSTM模型构建129
8.4SAE-LSTM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
8.5SAE-LSTM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