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| 編輯推薦： |
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膝关节是下肢活动支撑关节之一，也是下肢灵活运动的前提，其舒适性和灵活性影响整个下肢外骨骼的舒适性和灵活性。本书主要介绍膝关节外骨骼机器人设计与分析的相关内容，基于平面四杆机构的连杆综合理论，提出一种可重构膝关节外骨骼结构设计方法，并对膝关节外骨骼的性能进行分析。首先，提出了一种四杆机构连杆轨迹综合方法，以满足膝关节外骨骼设计可变轴线结构的高效要求，为设计基于可重构机构的膝关节外骨骼奠定理论基础。其次，基于功能组合原理提出了一种可重构综合方法，并利用该方法得到一种膝关节外骨骼结构。后面提出一种基于轴线错位计算的膝关节外骨骼机器人穿戴安全性和舒适性的分析方法。本书可供机械、军事、医疗康复等专业的科研人员和相关工程技术人员，或者高等院校研究生阅读参考。
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| 內容簡介： |
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本书基于人体膝关节的运动实验，总结了膝关节的运动特点和连杆综合的特点，进行了膝关节外骨骼的结构综合及根据综合轨迹进行了穿戴舒适性的评价分析。第1 章对本书研究内容进行综述。第2 章介绍膝关节外骨骼连杆综合连续曲线、时序路径综合方法、近似和精确统一综合方法的最新研究成果。第3章分析膝关节运动过程的错位原因，针对膝关节运动过程的功能进行外骨骼功能设计与综合。第4 章在实现轨迹曲线综合连杆的基础上，基于图像聚集情况筛选得到能够实现不同速度的可重构RRRRP 机构。第5 章从选取的安全性、舒适性两个方面分析膝关节外骨骼的性能，计算理想柔性铰链下的轨迹，并且对比分析膝关节外骨骼与固定轴线外骨骼的人机交互力。本书内容系统实用，对膝关节外骨骼机器人的发展有一定的指导意义。本书可供机器人、医疗设备等相关技术人员阅读使用，也可作为高等院校机器人工程、机电一体化等相关专业本科生、研究生的参考用书。
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| 關於作者： |
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武瑞，博士，毕业于中北大学，现为山西工程科技职业大学讲师，长期从事外骨骼机器人机构构型设计、性能分析、应用等方面的研究，发表相关学术论文近20篇，承担与参与近十项外骨骼机器人相关项目。
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| 目錄：
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第1章 绪论 001
1.1 本书内容的背景和意义 001
1.2 外骨骼机器人的研究综述002
1.2.1 刚性外骨骼机器人002
1.2.2 柔性外骨骼机器人006
1.2.3 膝关节外骨骼机器人007
1.3 机构综合的研究综述009
1.3.1 可重构机构综合009
1.3.2 四杆机构综合 010
1.4 当前发展存在的问题 013
1.5 本书主要内容及章节安排 013
1.5.1 本书主要内容 013
1.5.2章节安排 014
第2章 膝关节外骨骼综合方法 016
2.1 多项式消元理论 016
2.2 连杆曲线综合 017
2.2.1 建立模型 017
2.2.2 完全解析法 019
2.2.3 算例024
2.3 时序路径综合029
2.3.1 综合方程的消元030
2.3.2 统一综合方法034
2.3.3 算例036
2.4 混合条件综合040
2.4.1 圆锥曲线筛选算法040
2.4.2 混合综合方法042
2.4.3 算例044
2.5 膝关节外骨骼重构综合方法047
2.6 本章小结048
第3章 膝关节外骨骼的尺度综合049
3.1 膝关节外骨骼的错位049
3.1.1 运动过程分析050
3.1.2 错位分析 051
3.2 膝关节外骨骼的设计方法052
3.2.1 膝关节功能分析与设计要求052
3.2.2 膝关节外骨骼的功能设计方法053
3.2.3 平面四杆机构的优势053
3.3 膝关节不同速度的轨迹实验054
3.3.1 实验模型与测试原理054
3.3.2 实验方法055
3.3.3 实验结果055
3.3.4 结果分析057
3.4 膝关节外骨骼的综合方法057
3.4.1 目标点的提取058
3.4.2 综合模型063
3.4.3 变量064
3.4.4 约束函数064
3.4.5 目标函数065
3.5 轨迹结果066
3.5.1 速度1.5m/s 的轨迹综合067
3.5.2 速度2.5m/s 的轨迹综合068
3.5.3 速度3.5m/s 的轨迹综合070
3.6 本章小结073
第4章 膝关节外骨骼的可重构设计074
4.1 膝关节外骨骼重构综合074
4.1.1 重构样本的同源机构计算075
4.1.2 图像法求解构型连杆交集079
4.1.3 可重构连杆参数的确定083
4.1.4 可重构连杆参数的调整086
4.2 可重构膝关节外骨骼综合结果089
4.3 刚柔耦合膝关节外骨骼机构综合 091
4.3.1 膝关节内旋/外旋功能的分析 091
4.3.2 柔性化建模方法092
4.3.3 柔性综合与结构设计093
4.3.4 柔性单元参数计算095
4.4 膝关节外骨骼设计结果096
4.5 本章小结097
第5章 膝关节外骨骼的性能分析098
5.1 分析指标的特点、联系与区别098
5.2 分析方法的基本原则 100
5.3 安全性分析—空间运动范围 100
5.3.1 膝关节外骨骼的自由度分析 101
5.3.2 膝关节外骨骼的角度分析 102
5.3.3 膝关节外骨骼模型验证 103
5.4 舒适性分析—轴线错位 104
5.4.1 膝关节外骨骼模型轨迹分析方法 104
5.4.2 两个变换区域的轨迹分析 105
5.4.3 两个构态的轨迹分析 112
5.4.4 柔性化轨迹分析 116
5.5 舒适性分析——人机交互力 116
5.5.1 人机交互力的分析 117
5.5.2 人机交互力的对比 118
5.6 本章小结 119
参考文献 120
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| 內容試閱：
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外骨骼机器人（简称外骨骼）是智能机器人的典型代表之一，它可以实现人类智能与机器力量的结合，增强肌体的综合能力，缓解负重和长时间工作带来的疲劳。外骨骼机器人可以用于提升士兵在携带更多物资弹药及作业设备时的运动速度与灵活性，也可以用于工业、建筑业及抢险救灾等劳动强度较大且不便于机械化作业的场景中，帮助穿戴者减缓肌肉劳损和预防职业病。
下肢外骨骼机器人通过辅助装置与人体下肢并排连接，这需要下肢外骨骼机器人与穿戴者的下肢保持同步运动。由于膝关节的旋转轴线是变化的，而单铰链副的膝关节外骨骼旋转轴线是固定的，两者之间运动轨迹不能达到实时重合（也称为轴线错位）。轴线错位对穿戴下肢外骨骼有多方面的影响：一方面轴线错位的程度会随运动速度的增加而增加，并导致两者运动协调性变差以及人机交互力变大，甚至在绑缚装置的作用下会使穿戴者面临安全风险；另一方面穿戴者和外骨骼之间的轴线错位也会影响外骨骼的助力效率和穿戴舒适性。为此，本书基于平面四杆机构的连杆综合理论，提出一种可重构膝关节外骨骼结构设计方法，并对膝关节外骨骼的性能开展研究，主要内容如下：
（1） 提出了一种四杆机构连杆轨迹综合方法，以满足膝关节外骨骼设计可变轴线结构的高效要求，为设计基于可重构机构的膝关节外骨骼奠定理论基础。目前连杆轨迹综合的主要困难在于轨迹综合方程是九元八次的非线性方程组。通过研究轨迹综合方程的参数关系和非线性方程的消元，得到一个独立的四元三次非线性方程组，使得求解方程组的难度降低，提高了求解效率。在连杆轨迹综合理论方面，还提出了一种时序路径的统一综合方法以及一种姿态点和路径点混合的综合方法。
（2） 基于功能组合原理提出了一种可重构综合方法，并利用该方法得到一种膝关节外骨骼结构。利用视觉跟踪系统记录三种运动速度的膝关节轨迹，分别对不同速度的膝关节运动轨迹的实验数据进行轨迹综合。针对每一种运动轨迹，利用图谱法确定连杆参数分布范围，基于优化算法计算各参数的具体值并保留不同误差下的结果。建立不同结果对应参数组的轨迹综合方程，利用提出的解析法计算轨迹综合方程的全部解。方程全部解对应的是参数组的同源机构，这样就扩充了不同速度连杆参数的样本。基于图像法对不同速度下的连杆参数组进行组合和筛选，分析图像各参数的聚集情况，得到可重构膝关节外骨骼的结构参数，实现对应不同速度四杆机构的组合。在刚性可重构结构的基础上，对机构中的固定铰链进行柔性单元的置换设计，以减轻运动过程中的错位程度。
（3）提出了一种基于轴线错位计算的膝关节外骨骼穿戴安全性和舒适性的分析方法。将膝关节外骨骼的自由度和膝关节外骨骼的活动角度作为具体分析参数，与人体膝关节的活动范围对比，证明了外骨骼结构的安全性；通过计算膝关节外骨骼与膝关节之间的轨迹误差，得到不同速度下的平均错位距离为1.608mm。以人机交互力量化穿戴外骨骼结构本体后的舒适性，并通过沃伊特元件约束力公式计算人机交互力，结果表明可重构膝关节外骨骼的舒适性比单铰链副的膝关节外骨骼提高10.83 倍。
本书是笔者在机构学与外骨骼领域研究成果的有机整合，研究内容受到山西省重点研发项目（201903D421051）、山西省研究生创新项目（批准号：2020BY090）、山西省自然科学基金项目（201801D221235）的资助，在此表示感谢！同时感谢中北大学李瑞琴教授对笔者科研工作的指导！
限于笔者水平，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者和各位专家批评指正。
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