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第1章 可穿戴机器人概述1

1.1 可穿戴机器人与外骨骼1

1.1.1 可穿戴机器人的人机双重交互2

1.1.2 历史回顾4

1.1.3 外骨骼：可穿戴机器人的研制使用实例5

1.2 仿生学及生物机电工程学在可穿戴机器人领域的应用7

1.2.1 仿生学在生物机电工程可穿戴机器人设计中的应用9

1.2.2 生物机电系统与生物系统的交互10

1.2.3 仿生学设计及优化程序11

1.3 机器人外骨骼系统研制中的技术应用11

1.4 可穿戴外骨骼在应用层面上的分类12

1.5 内容概览14

参考文献19

第2章 生物灵感及仿生学在可穿戴机器人中的应用基础20

2.1 引言20

2.2 仿生设计的一般原理21

2.2.1 目标函数的优化——能耗22

2.2.2 多功能性和适应性25

2.2.3 进化26

2.3 仿生设计的发展27

2.3.1 生物模型28

2.3.2 神经运动控制结构和机理模型28

2.3.3 肌肉生理学模型32

2.3.4 感觉运动机制模型34

2.3.5 人类四肢生物力学模型35

2.3.6 循环交互（递归交互）：用工程模型解释生物系统36

2.4 工程设计中生物启发的程度36

2.4.1 生物拟态：对所观察到的行为和结构进行机械复制37

2.4.2 生物模仿：对动力学和控制结构的模仿37

2.5 案例研究：极限环双足步行机器人模仿人类步行及对可穿戴外骨骼机器人设计的启发38

2.5.1 简介38

2.5.2 人类行走为何高效稳定39

2.5.3 高效稳定的机器人40

2.5.4 总结41

2.6 案例研究：上肢手，模拟抓取动作的神经控制42

2.6.1 简介42

2.6.2 假肢的设计43

2.6.3 MANUSHAND的控制结构45

2.7 案例研究：内部模型，中心模式发生器和反射控制双足步行机器人与外骨骼——ESBiRRO项目46

2.7.1 简介46

2.7.2 极限环双足机器人的设计动机和当前的技术限制47

2.7.3 极限环双足步行机器人的仿生控制48

2.7.4 总结和未来展望48

参考文献49

第3章 可穿戴机器人的运动学及动力学特性52

3.1 介绍52

3.2 机器人力学：运动方程53

3.2.1 运动学分析53

3.2.2 动力学分析58

3.3 人体生物力学62

3.3.1 人体运动的医学描述63

3.3.2 手臂的运动特性64

3.3.3 腿部运动67

3.3.4 四肢的运动学模型70

3.3.5 对人类四肢的动力学建模74

3.4 外骨骼系统中的运动学冗余76

3.4.1 运动学冗余简介76

3.4.2 人类外骨骼系统中存在的冗余78

3.5 案例研究：由四连杆连接形成的仿生的、运动学兼容的膝关节模型81

3.5.1 简介81

3.5.2 膝关节运动学81

3.5.3 四连杆机构的动力学分析83

3.5.4 遗传算法介绍84

3.5.5 最终设计84

3.5.6 最优交叉四连杆机构的运动性能分析85

3.6 案例研究：上肢前臂旋前-旋后外骨骼86

3.6.1 前臂的旋前和旋后控制机能研究86

3.7 案例研究：基于上肢生物力学模型的振颤特性研究87

3.7.1 上肢的生物力学模型88

3.7.2 结论90

参考文献91

第4章 人-机认知交互93

4.1 人机交互概述93

4.2 cHRI应用生物电学监控人脑活动95

4.2.1 人脑活动的生理学原理96

4.2.2 脑电图学模型和参数98

4.2.3 人脑控制接口：方式和算法100

4.3 通过对肌肉活动的生物电子监控认知人机互动103

4.3.1 肌肉活动的生理机能103

4.3.2 肌电图模型和参数105

4.3.3 表面肌电图信号特征提取106

4.3.4 肌电图活动的分类109

4.3.5 力和力矩估计111

4.4 通过生物力学监测实现的认知人机交互112

4.4.1 生物力学模型和参数113

4.4.2 由生物力学控制的接口：方法和算法116

4.5 案例研究：基于习得的步态模式的下肢外骨骼控制116

4.5.1 带膝关节阻抗调制的步态模式117

4.5.2 架构117

4.5.3 模糊推理系统117

4.5.4 仿真119

4.6 案例研究：对基于生物力学数据的非自主运动的识别和跟踪120

4.7 案例研究：神经义肢设备的皮质控制123

4.8 案例研究：使用WSN进行手势和姿势识别128

4.8.1 平台描述128

4.8.2 概念和算法的实现129

4.8.3 姿势识别的结果131

4.8.4 挑战：对运动进行跟踪的无线传感器网络131

4.8.5 总结和展望132

参考文献133

第5章 人-机物理交互136

5.1 概论136

5.1.1 生理学要素137

5.1.2 可穿戴机器人设计要素138

5.2 人类肢体与可穿戴机械装置在运动学上的兼容性139

5.2.1 造成运动学上不兼容的因素及带来的负面影响140

5.2.2 克服运动学上的不兼容性143

5.3 对人体施加的负荷143

5.3.1 人体对压力的耐受度144

5.3.2 通过软组织传递力量145

5.3.3 支撑设计148

5.4 人-机交互控制149

5.4.1 人-机交互：人类行为150

5.4.2 人-机交互：机器人行为151

5.4.3 人-机闭合回路153

5.4.4 物理触发型认知交互157

5.4.5 稳定性157

5.5 案例研究：约束位移和不符合人体工程学的交互力的量化方法160

5.5.1 约束位移（d）的理论分析160

5.5.2 交互力Fd的量化实验163

5.6 案例研究：可穿戴机器人的压力分布和耐受度分析165

5.6.1 压力耐受度的测量166

5.7 案例研究：基于阻抗控制的上肢振动抑制168

5.8 案例研究：通过阻抗控制保持步态中的姿态稳定170

5.8.1 膝踝足矫正器（外骨骼）170

5.8.2 下肢外骨骼系统171

5.8.3 步态站立期的稳定：患者测试172

参考文献174

第6章 可穿戴机器人技术177

6.1 可穿戴机器人技术的介绍177

6.2 传感技术178

6.2.1 位置和运动传感：可穿戴机器人肢体运动信息178

6.2.2 生物电信号传感器183

6.2.3 人机界面力和压力：舒适性和肢体运动信息187

6.2.4 微气候传感191

6.3 驱动器技术193

6.3.1 当前发展状况193

6.3.2 驱动器技术的控制要求196

6.3.3 新兴驱动技术197

6.4 便携式能量存储技术202

6.4.1 未来发展趋势202

6.5 案例研究：用于肢体定位的惯性传感器203

6.6 案例研究：可穿戴设备中的微气候传感205

6.6.1 简介205

6.6.2 人体热平衡205

6.6.3 着装和可穿戴设备的气候条件206

6.6.4 测量热舒适度207

6.7 案例研究：仿生膝关节驱动器的设计208

6.7.1 股四头肌无力208

6.7.2 步态功能分析及启发209

6.7.3 驱动器原型211

参考文献212

第7章 可穿戴机器人通信网络技术215

7.1 概述215

7.2 从有线到无线的可穿戴机器人网络217

7.2.1 要求217

7.2.2 网络组件：可穿戴机器人网络配置219

7.2.3 拓扑结构220

7.2.4 可穿戴机器人技术网络的目标和概况222

7.3 有线的可穿戴机器人网络224

7.3.1 可用技术224

7.3.2 网络建立，维护，服务质量和鲁棒性228

7.4 无线可穿戴机器人技术网络230

7.4.1 使能技术230

7.4.2 无线传感器网络平台232

7.5 案例研究：能测量舒适度和性能的智能纺织品235

7.5.1 介绍235

7.5.2 应用描述236

7.5.3 平台描述238

7.5.4 概念的实现239

7.5.5 结果239

7.5.6 讨论240

7.6 案例研究：EXONET网络241

7.6.1 应用描述241

7.6.2 网络结构241

7.6.3 网络组件242

7.6.4 网络协议243

7.7 案例研究：神经实验室——基于神经运动与生物力学的多模式网络外骨骼研究243

7.7.1 应用描述243

7.7.2 平台描述244

7.7.3 概念和算法的实现244

7.8 案例研究：集成家用机器人系统与传感网络的通信技术——帮助老年人247

7.8.1 概述247

7.8.2 通信系统248

7.8.3 IP协议250

参考文献252

第8章 上肢可穿戴机器人254

8.1 实例研究：用于评估和抑制颤振的可穿戴式矫形器254

8.1.1 介绍255

8.1.2 用于评估和抑制颤振的可穿戴式矫形器255

8.1.3 实验协议258

8.1.4 结论259

8.1.5 讨论与结论261

8.2 实例研究：CYBERHAND假手261

8.2.1 概述261

8.2.2 多自由度仿生假手262

8.2.3 神经接口265

8.2.4 结论268

8.3 案例研究：符合人体工程学的外骨骼269

8.3.1 介绍269

8.3.2 人体工程学外骨骼：挑战与创新271

8.3.3 EXARM系统的安装启用272

8.3.4 总结和结论276

8.4 案例研究：神经学机器人外骨骼277

8.4.1 外骨骼控制方法279

8.4.2 NEUROExos的应用领域280

8.5 案例研究：一种上肢动力外骨骼281

8.5.1 外骨骼设计281

8.5.2 结论和讨论292

8.6 案例研究：用于物理治疗和训练的柔性外骨骼293

8.6.1 柔性手臂-外骨骼设计294

8.6.2 系统控制296

8.6.3 实验结果300

8.6.4 结论302

参考文献302

第9章 可穿戴下肢和全身机器人306

9.1 案例研究：GAIT-ESBIRRO：对病理性步态进行功能性补偿的下肢外骨骼306

9.1.1 简介306

9.1.2 病理性步态及生物力学特性307

9.1.3 GAIT的设计理念308

9.1.4 驱动309

9.1.5 传感器系统309

9.1.6 控制系统310

9.1.7 评估311

9.1.8 下一代下肢外骨骼：ESBiRRo项目312

9.2 案例研究：一个由人工气动肌肉驱动的踝足矫形器313

9.2.1 简介313

9.2.2 矫形器的构造314

9.2.3 人工气动肌肉315

9.2.4 肌肉的安装315

9.2.5 矫形器的质量315

9.2.6 矫形器的控制316

9.2.7 性能数据316

9.2.8 主要结论319

9.3 案例研究：智能动力义肢320

9.3.1 简介321

9.3.2 义肢的功能分析322

9.3.3 结论328

9.4 案例研究：摆动时HAL混合式辅助假肢）的控制方法329

9.4.1 系统329

9.4.2 执行器控制330

9.4.3 性能331

9.5 案例研究：神奈川理工大学动力辅助服332

9.5.1 基本设计理念333

9.5.2 动力辅助服333

9.5.3 控制器334

9.5.4 物理动力学模型335

9.5.5 肌肉硬度传感器335

9.5.6 直接驱动式气动执行器336

9.5.7 部件336

9.5.8 部件的操作特性337

9.6 案例研究：机器人轮椅的基于脑电图的认知人机交互接口339

9.6.1 脑电图采集及处理341

9.6.2 基于PDA的图形界面342

9.6.3 实验344

9.6.4 结果和结论评价344

参考文献345

第10章 总结与展望348

10.1 总结348

10.1.1 生物启发在设计可穿戴式机器人中的应用349

10.1.2 可穿戴机器人技术351

10.1.3 物理-人-机器人交互认知352

10.1.4 可穿戴式机器人技术354

10.1.5 出色的可穿戴机器人研究项目354

10.2 结论与展望356

参考文献358