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本書面向健康中國戰(zhàn)略，總結了研究團隊近年來在多自由度并聯(lián)康復機器人及其人機交互控制方面的重要研究進展和成果，充分闡述了多自由度康復機器人的背景、驅(qū)動、構型、控制系統(tǒng)和應用技術，綜合探討了康復機器人的驅(qū)動與傳感技術、并聯(lián)機構及康復機器人實例、下肢康復機器人的力反饋交互控制和肌電自主控制、基于生物信號的人機交互接口，以及氣動腳踝康復機器人的柔順控制和腦機協(xié)作控制，*后討論了康復機器人在柔性外骨骼結構、可穿戴傳感設備和以患者為中心的控制策略方面的發(fā)展趨勢。本書旨在為從事康復機器人科學和技術研究及產(chǎn)品開發(fā)的科技工作者、老師和學生提供有益的參考，可作為高職高專機械電子信息及相關專業(yè)基礎課程的教材，也可供工程技術人員參考。

世界衛(wèi)生組織預測，到2050年，60歲以上老人將占世界總人口的五分之一。我國也即將進入深度老齡化社會，各類腦卒中、偏癱、肢體殘疾等運動障礙患者數(shù)量增多。通過人工或簡單的醫(yī)療設備進行康復理療，已經(jīng)遠遠不能滿足社會的康復需求，因此康復機器人技術應運而生并且成為機器人領域的研究熱點。《健康中國2030規(guī)劃綱要》《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》《十四五機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等都將醫(yī)療康復設備列為重點內(nèi)容之一。將機器人技術應用于康復醫(yī)療領域，不僅可以將康復醫(yī)師從繁重的訓練任務中解放出來，減輕醫(yī)療人員的負擔，而且可以幫助患者進行更加科學有效的康復訓練，使患者的運動機能得到更好的恢復。本書根據(jù)國內(nèi)外多自由度康復機器人的*新發(fā)展模式，結合下肢踝關節(jié)輔助康復需求特點，力圖從不同的角度全面介紹多自由度并聯(lián)康復機器人及其人機交互控制方法的系統(tǒng)技術和工程應用。盡可能結合實際工程應用技術深入、全面、廣泛地向讀者介紹多自由度康復機器人的驅(qū)動、傳感、構型、控制和應用技術。全書從介紹康復機器人技術現(xiàn)狀開始，總體沿著多自由度并聯(lián)康復機器人的機構組成和人機交互控制應用展開，闡述了康復機器人的驅(qū)動與傳感技術、并聯(lián)機構及剛性和柔性康復機器人實例、力反饋交互控制和柔順控制、基于生物信號的人機交互接口、肌電自主控制和腦機協(xié)作控制等，*后討論了并聯(lián)康復機器人在下肢和腳踝輔助訓練中的作用以及多自由度機器人的未來發(fā)展趨勢。本書是在研究團隊多年科研實踐的基礎上撰寫的，共分9章，第1章至第3章由劉泉和孟偉撰寫，第4章至第7章由艾青松和孟偉撰寫，第8章和第9章由劉泉和陳昆撰寫。全書由劉泉統(tǒng)稿，艾青松校對。在本書撰寫過程中，馬力、廖楊喆、陽俊等團隊教師，左潔、劉艾明、朱承祥、張從勝、周蕾、張亞楠和徐圖等同學協(xié)助搜集整理了部分資料，在此一并致謝。本書全面介紹了康復機器人的概念及其背景，深入探討了面向下肢和腳踝康復的多自由度并聯(lián)機器人理論基礎和應用技術與系統(tǒng)，可以為該領域面向本科生、研究生的教學提供參考，也可作為相關企業(yè)工程技術人員的參考書。作者2022年5月

第1章康復機器人概述/1

1.1緒論/1

1.2多自由度康復機器人/3

1.2.1多自由度康復機器人機構/3

1.2.2氣動肌肉驅(qū)動的康復機器人/9

1.3康復機器人的控制/13

1.3.1機器人輔助康復訓練模式/13

1.3.2康復機器人控制方法/16

1.4康復機器人關鍵技術分析/28

1.5本章小結/30

本章參考文獻/30

第2章康復機器人的驅(qū)動與傳感技術/45

2.1康復機器人驅(qū)動技術/45

2.1.1剛性驅(qū)動器/45

2.1.2氣動肌肉驅(qū)動器/47

2.1.3新型柔性驅(qū)動器/48

2.2康復機器人傳感技術/53

2.2.1物理信息傳感器/53

2.2.2生物信息傳感器/58

2.2.3新型光纖傳感器/66

2.3本章小結 /72

本章參考文獻/72

第3章并聯(lián)機構及康復機器人實例/76

3.1多自由度并聯(lián)機構及其應用/76

3.1.1多自由度并聯(lián)機器人/76

3.1.2并聯(lián)機構在康復中的應用/81

3.2六自由度并聯(lián)下肢康復機器人/83

3.2.1六自由度并聯(lián)機器人機構/84

3.2.2下肢康復機器人運動學模型/84

3.2.3下肢康復機器人動力學模型/89

3.2.4下肢康復機器人系統(tǒng)集成/91

3.3二自由度并聯(lián)腳踝康復機器人/94

3.3.1二自由度并聯(lián)機器人機構/94

3.3.2腳踝康復機器人運動學模型/97

3.3.3腳踝康復機器人動力學模型/100

3.3.4腳踝康復機器人系統(tǒng)集成/103

3.4本章小結/106

本章參考文獻/107

第4章下肢康復機器人的力反饋交互控制/111

4.1下肢康復機器人力/位置混合控制/111

4.1.1力/位置混合控制原理及結構/111

4.1.2力/位置混合控制仿真平臺/114

4.1.3基于力的機器人輔助康復訓練策略/117

4.1.4機器人的力/位置混合控制實驗/119

4.2基于阻抗模型的康復機器人交互控制/124

4.2.1阻抗模型及阻抗控制原理/125

4.2.2康復機器人自適應阻抗控制/127

4.2.3基于阻抗的虛擬管道按需輔助/130

4.2.4實驗結果及分析/133

4.3本章小結/139

本章參考文獻/140

第5章氣動腳踝康復機器人的柔順控制/142

5.1氣動肌肉的柔順性建模/142

5.1.1氣動肌肉的結構與工作原理/142

5.1.2氣動肌肉力位移氣壓模型/144

5.1.3氣動肌肉的變剛度模型/145

5.2末端柔順的腳踝康復機器人導納控制/146

5.2.1任務空間導納控制原理及結構/147

5.2.2腳踝關節(jié)主動力矩模型/149

5.2.3機器人導納控制器實現(xiàn)/151

5.3柔性腳踝康復機器人層級柔順控制/155

5.3.1基于自適應調(diào)節(jié)的層級柔順控制/155

5.3.2層級柔順實驗及結果分析/157

5.4本章小結/163

本章參考文獻/164

第6章基于生物信號的人機交互接口/166

6.1基于肌電信號的運動意圖識別/166

6.1.1肌電信號預處理與特征提取/166

6.1.2下肢多源特征參數(shù)分析/167

6.1.3基于多源信息的運動意圖識別/176

6.2神經(jīng)肌肉模型及其控制接口/181

6.2.1骨骼肌肉建模/182

6.2.2參數(shù)辨識及模型驗證/186

6.2.3肌電驅(qū)動的機械臂自主控制/193

6.3腦電信號及其識別/196

6.3.1P300/SSVEP信號及特征提取/197

6.3.2P300/SSVEP意圖信號的識別/200

6.3.3基于SSVEP/P300的腦機接口/201

6.4本章小結/207

本章參考文獻/207

第7章下肢康復機器人的肌電自主控制/213

7.1基于肌體狀態(tài)的下肢康復機器人變阻抗控制/213

7.1.1肌肉活動狀態(tài)和肌力分析/213

7.1.2適應肌體活動的變阻抗控制/215

7.1.3實驗結果及分析/217

7.2動作意圖主導的下肢康復機器人協(xié)作控制/224

7.2.1患者肌體疲勞狀態(tài)評估/224

7.2.2疲勞避免自適應阻抗控制/231

7.2.3患者主導的人肌機協(xié)作控制/236

7.3本章小結/242

本章參考文獻/243

第8章腳踝康復機器人的腦機協(xié)作控制/245

8.1基于運動想象腦電信號的意圖識別/245

8.1.1運動想象腦電信號預處理/245

8.1.2基于腦網(wǎng)絡的通道選擇/248

8.1.3基于多域特征融合的運動想象分類/250

8.2基于運動想象的腳踝機器人協(xié)作控制/255

8.2.1基于運動想象的腦控機器人系統(tǒng)/255

8.2.2腳踝康復機器人的腦機協(xié)作控制/258

8.2.3實驗結果及分析/260

8.3本章小結/265

本章參考文獻/265

第9章總結/268

9.1全書工作總結/268

9.2未來研究展望/270

本章參考文獻/272

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