下肢外骨骼机器人控制技术与应用杨勇黄德青马磊_杨勇黄德青马磊_9787111775348

外骨骼机器人是结合人工智能与机器力量的可穿戴机器人，通过将其“穿戴”于人体完成康复训练、负重行军、灾害救援等复杂繁重的任务。本书重点介绍了下肢外骨骼机器人的控制理论与应用技术，全书共8章。第1章介绍了下肢外骨骼机器人的概念、发展和主要控制方法；第2章介绍了下肢外骨骼机器人的建模；第3章介绍了外骨骼机器人自适应迭代学习控制方法；第4章介绍了外骨骼机器人自适应阻抗控制方法；第5章介绍了液压驱动外骨骼机器人的控制技术；第6章介绍了受非线性约束的外骨骼机器人控制技术；第7章介绍了具有柔性关节的下肢外骨骼控制技术；第8章介绍了外骨骼系统实现与应用的两个案例。本书可作为自动化类、机器人类、控制类等专业本科和研究生参考书籍，也可作为机器人相关技术研究及开发人员的参考书籍。

自19世纪末Nicholas Yagn发明了一种用于增强跑步和跳跃能力的下肢弓形穿戴装置以来，经历了一个多世纪的发展，人们对外骨骼技术的研究不断深入，现已成为机器人领域的研究热点。下肢外骨骼机器人作为一种可穿戴的辅助设备，将人工智能和机器力量巧妙结合，完成单靠人类或机器人无法完成的复杂繁重任务，在康复医疗、军事应用、灾害救援等领域具有广泛的应用前景。外骨骼技术涉及多个学科的交叉耦合，涵盖了人体仿生学、机械结构、材料组成、电子信息、智能控制以及机器人等多个领域。区别于传统工业机器人，下肢外骨骼机械腿与穿戴者肢体具有直接物理接触，是具有实时不确定交互特性的“人在环”紧耦合系统。下肢外骨骼机器人的性能在很大程度上取决于其控制技术的先进性与创新性。本书将从控制理论的基本原理出发，重点介绍下肢外骨骼机器人控制理论与应用技术。目前，已有大量外骨骼机器人相关控制理论与应用技术的论文发表。本书将近年来在外骨骼研究过程中的理论成果进行了凝练和总结，全书共8章，第1、2章由黄德青、马磊撰写，第3～8章由西华大学杨勇撰写。第1章介绍了下肢外骨骼机器人的概念、发展和主要控制方法；第2章介绍了下肢外骨骼机器人的建模；第3章介绍了外骨骼机器人自适应迭代学习控制方法；第4章介绍了外骨骼机器人自适应阻抗控制方法；第5章介绍了液压驱动外骨骼机器人的控制技术；第6章介绍了受非线性约束的外骨骼机器人控制技术；第7章介绍了具有柔性关节的下肢外骨骼控制技术；第8章介绍了外骨骼系统实现与应用的两个案例。本书是在总结作者多年科研成果及指导研究生工作的基础上撰写而成的学术专著，在编写过程中西华大学研究生刘显达、陈泓君、周靖炜、金成武、李昀澄、王鑫垚、喻高峰、胡家康、王道珩等为本书的文字与图表校对做了大量工作，在此表示感谢。本书的研究工作得到了国家自然科学基金（编号：62003278）、四川省自然科学基金（编号：2023NSFSC1431），以及四川省一流本科专业建设点（西华大学自动化专业）的资助。由于作者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，敬请读者给予批评指正。作者2024年1月

前言第1章绪论11.1下肢外骨骼机器人概要11.1.1下肢外骨骼概念11.1.2下肢外骨骼应用21.2下肢外骨骼机器人的发展现状31.2.1国内下肢外骨骼的发展31.2.2国外下肢外骨骼的发展71.3下肢外骨骼机器人的控制方法121.3.1经典PID控制131.3.2灵敏度放大控制131.3.3自适应控制141.3.4神经网络控制151.3.5模糊控制151.3.6鲁棒控制161.4本章总结17参考文献17第2章下肢外骨骼机器人建模222.1下肢外骨骼机器人运动学建模222.2下肢外骨骼机器人动力学建模252.2.1引言252.2.2单支撑状态模型252.2.3双支撑状态模型322.3本章总结33参考文献33第3章外骨骼机器人自适应迭代学习控制353.1迭代学习控制353.2外骨骼神经网络迭代学习位置约束控制363.2.1引言363.2.2输出位置约束383.2.3控制算法设计393.2.4稳定性分析403.2.5仿真研究453.2.6小结483.3基于扩张状态观测器的外骨骼迭代学习控制483.3.1引言483.3.2扩张状态观测器503.3.3控制算法设计513.3.4稳定性分析523.3.5仿真研究553.3.6小结583.4不依赖模型的外骨骼自适应迭代学习控制583.4.1引言583.4.2控制算法设计603.4.3稳定性分析633.4.4仿真研究673.4.5小结723.5外骨骼增强神经自适应迭代学习控制723.5.1引言723.5.2控制算法设计733.5.3稳定性分析763.5.4仿真研究813.5.5小结843.6本章总结85参考文献86第4章外骨骼机器人自适应阻抗控制914.1阻抗控制原理914.2基于名义模型的外骨骼阻抗控制924.2.1引言924.2.2阻抗控制器设计924.2.3稳定性分析954.2.4仿真研究974.2.5小结1014.3外骨骼神经学习阻抗控制1014.3.1引言1014.3.2神经学习阻抗控制1024.3.3稳定性分析1074.3.4仿真研究1104.3.5小结112目录●●●●●●●●●●下肢外骨骼机器人控制技术与应用4.4基于运动意图估计的外骨骼阻抗控制1134.4.1引言1134.4.2运动意图估计1144.4.3控制器设计1184.4.4仿真研究1224.4.5小结1294.5本章总结129参考文献130第5章液压驱动外骨骼机器人控制技术1335.1液压驱动系统1335.1.1引言1335.1.2液压驱动器原理1345.1.3外骨骼液压驱动系统结构1355.1.4液压驱动系统动态模型1365.2液压驱动外骨骼采样控制1375.2.1引言1375.2.2外骨骼离散时间模型1385.2.3控制器设计1395.2.4稳定性分析1415.2.5仿真研究1435.2.6小结1465.3液压驱动外骨骼自适应反步控制1475.3.1引言1475.3.2控制器设计1475.3.3稳定性分析1495.3.4仿真研究1515.3.5小结1525.4基于干扰观测器的外骨骼液压驱动关节滑模控制1535.4.1引言1535.4.2控制器设计1545.4.3稳定性分析1615.4.4仿真研究1625.4.5小结1655.5外骨骼液压驱动系统输出反馈重复学习控制1665.5.1引言1665.5.2扩张状态观测器1675.5.3输出反馈控制器设计1695.5.4稳定性分析1715.5.5仿真研究1765.5.6小结1775.6本章总结179参考文献179第6章受非线性约束的外骨骼机器人控制技术1846.1液压驱动外骨骼系统的约束问题1846.2受输出约束的液压驱动外骨骼自适应控制1856.2.1引言1856.2.2控制器设计1866.2.3稳定性分析1896.2.4仿真研究1926.2.5小结1936.3外骨骼液压驱动关节输出约束容错控制1936.3.1引言1936.3.2外骨骼执行器故障模型1946.3.3容错控制器设计1956.3.4稳定性分析1996.3.5仿真研究2016.3.6小结2056.4受死区约束的外骨骼液压驱动器神经网络控制2066.4.1引言2066.4.2执行器死区模型2066.4.3状态反馈方法2086.4.4输出反馈方法2136.4.5仿真研究2176.4.6小结2206.5本章总结220参考文献220第7章柔性关节下肢外骨骼控制技术2247.1柔性关节外骨骼2247.2柔性关节外骨骼模型与控制方法2267.2.1自适应方法2267.2.2奇异摄动法2277.2.3输入整形法2277.2.4智能控制法2287.3基于奇异摄动的柔性关节下肢外骨骼自适应控制2287.3.1引言2287.3.2奇异摄动2287.3.3控制器设计2297.3.4仿真研究2327.3.5小结2357.4柔性关节外骨骼模糊反演控制2357.4.1引言2357.4.2模糊控制器设计2367.4.3稳定性分析2477.4.4仿真研究2497.4.5小结2537.5基于观测器的外骨骼自适应控制2537.5.1引言2537.5.2基于观测器的控制设计2537.5.3稳定性分析2567.5.4仿真研究2577.5.5小结2597.6本章总结259参考文献260第8章外骨骼系统实现与应用2628.1引言2628.2基于完整动力学的外骨骼自适应控制设计与应用2638.2.1液压驱动外骨骼系统结构2638.2.2外骨骼传感器配置2648.2.3含液压动态的完整动力学模型2658.2.4控制器设计2688.2.5实验研究2738.2.6小结2788.3外骨骼系统混合控制设计与应用2788.3.1混合控制外骨骼系统结构2788.3.2外骨骼传感器配置2808.3.3混合控制策略与控制器设计2828.3.4实验研究2878.3.5小结2918.4本章总结291参考文献291

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