本書從臥式下肢康復訓練機器人機械結構、康復運動規劃和動力學分析、康復控制系統設計與魯棒性、康復效果評定方法和實驗平臺五個方面對臥式下肢康復訓練機器人關鍵技術進行較深入的理論分析和實驗。書中提出了具有針對性的、適合個性化訓練的臥式下肢康復訓練機器人結構設計方案，給出了機器人結構參數影響下的下肢關節角度內在變化規律，揭示了臥式下肢康復訓練機器人與人體運動特征匹配度的內在關系，構建了被動、示教學習，以及助力和主動阻抗等多種康復訓練控制策略，同時建立了下肢康復程度評估模型，驗證所提出的理論和方法的正確性。
本書可供從事康復機器機構研究的工程技術人員與高等院校相關專業的師生閱讀參考。
姜大偉，1979年11月生，教授，長春理工大學博士研究生畢業，碩士生導師，在工作期間，緊密結合吉林省醫療康復產品的研究方向，積極開展康復理療系列、康復器材系列、殘疾人輔助器具系列、無障礙設施系列等產品研發與產業化工作，主持完成了系列肢體康復訓練機器人研究項目，其中吉林省科技廳項目2項、教育廳項目2項、長春市科技局項目1項。作為主要完成人參與“基于訓練路徑的上肢康復機器人結構設計方法研究”和“基于仿生張拉整體結構的可穿戴下肢康復機器人結構設計方法研究”2項國家自然基金項目，參與完成國家高技術研究發展計劃（863計劃）“中醫按摩機器人”子課題項目“四自由度按摩機器人手臂設計與開發”項目，吉林省科技廳項目“上肢仿生康復外骨骼機器人設計方法及應用研究”項目。在肢體康復醫療器械方面解決了一系列結構與控制方面的關鍵性技術難題，部分產品與技術達到了國內領先水平。期間獲得授權國家發明專利30余項，實用新型專利40余項，發表論文20余篇。相關成果2013年榮獲吉林省科技廳舉辦“吉林省發明創造大賽”二等獎；2014年專利成果榮獲吉林省政府頒發“吉林省專利獎”；2015年榮獲吉林省自然學術成果委員會頒發“吉林省自然科學學術成果獎”二等獎；2016年專利成果榮獲吉林省政府頒發“吉林省專利金獎”；2016年研究成果榮獲長春市科技進步獎一等獎；2018年研究成果榮獲吉林省科技進步獎三等獎；2020年獲吉林省科技進步二等獎；2021年獲吉林省科技進步三等獎。
第1章 緒論 001
1.1 下肢康復訓練機器人研究的目的和意義 001
1.2 下肢康復訓練機器人機械結構的國內外研究現狀 002
1.2.1 懸掛式下肢康復訓練機器人 002
1.2.2 外骨骼式下肢康復訓練機器人 007
1.2.3 坐臥式下肢康復訓練機器人 009
1.3 下肢康復訓練機器人控制策略的國內外研究現狀 014
1.3.1 被動康復模式的控制策略 014
1.3.2 助力康復模式的控制策略 015
1.3.3 阻抗康復模式的控制策略 016
1.4 康復程度評估方法的國內外研究現狀 017
1.5 本書主要內容 018
1.6 整體技術研究路線 019
第2章 基于運動康復的臥式下肢康復訓練機器人的機械結構設計 021
2.1 概述 021
2.2 運動康復分析 021
2.3 人體下肢骨關節模型屈曲運動分析023
2.4 臥式下肢康復訓練機器人設計要求026
2.5 臥式下肢康復訓練機器人結構設計028
2.5.1 臥式下肢康復訓練機器人整體結構方案028
2.5.2 臥式下肢康復訓練機器人懸臂與蹬踏結構設計029
2.5.3 腿部輔助吊升結構設計 031
2.5.4 底部支架與垂直升降結構設計 031
2.5.5 主要部件參數選定032
2.6 臥式下肢康復訓練機器人結構靜力學分析034
2.6.1 關鍵零部件有限元模型的建立034
2.6.2 關鍵零部件網格劃分035
2.6.3 關鍵零部件的有限元分析036
2.7 本章小結045
第3章 臥式下肢康復訓練機器人系統運動學與動力學分析047
3.1 概述047
3.2 人機系統運動學分析047
3.2.1 人機系統運動學建模048
3.2.2 人機系統運動學仿真 053
3.3 人機系統動力學分析 058
3.3.1 拉格朗日動力學分析 058
3.3.2 人體下肢拉格朗日動力學模型 061
3.4 驅動系統動力學建模 065
3.5 人機協調動力學建模 066
3.6 人機系統動力學仿真 067
3.7 本章小結 071
第4章 臥式下肢康復訓練機器人控制系統設計與魯棒性 072
4.1 概述 072
4.2 控制系統硬件組成 072
4.3 臥式下肢康復訓練機器人控制策略 074
4.3.1 基于模糊PID 控制算法的被動康復控制策略 074
4.3.2 基于力、位反饋的被動示教學習控制策略 078
4.3.3 助力控制策略 079
4.3.4 主動阻抗控制策略 079
4.4 臥式下肢康復訓練機器人控制系統魯棒性 082
4.4.1 基于強跟蹤濾波的臥式下肢康復訓練機器人控制系統特性分析 083
4.4.2 臥式下肢康復訓練機器人伺服系統模型的建立 085
4.4.3 基于STF 的康復訓練運動控制系統濾波環節設計 088
4.5 臥式下肢康復訓練機器人控制系統與系統魯棒性仿真驗證 090
4.5.1 控制系統仿真驗證090
4.5.2 控制系統魯棒性仿真驗證095
4.6 本章小結099
第5章 基于置信規則庫的人體下肢康復效果評估方法 100
5.1 概述 100
5.2 患者下肢肌力的評定 101
5.3 置信規則庫理論及應用 102
5.4 基于BRB 的臥式下肢康復訓練機器人康復效果評估模型 103
5.4.1 基于ER 的規則推理過程 104
5.4.2 基于Fmincon 算法的BRB 參數優化 106
5.5 基于BRB 的臥式下肢康復訓練機器人康復效果評估 107
5.5.1 BRB 健康評估模型的建立 107
5.5.2 仿真實驗 108
5.5.3 對比分析 113
5.6 本章小結 114
第6章 臥式下肢康復訓練機器人實驗平臺 115
6.1 概述 115
6.2 臥式下肢康復訓練機器人實驗平臺簡介 115
6.3 臥式下肢康復訓練機器人人機界面軟件開發 116
6.4 臥式下肢康復訓練機器人相關實驗 118
6.4.1 臥式下肢康復訓練機器人檢測實驗平臺 118
6.4.2 被動康復訓練模式實驗 120
6.4.3 康復訓練學習模式實驗 122
6.4.4 助力康復訓練模式實驗 123
6.4.5 阻抗康復訓練模式實驗 125
6.4.6 康復訓練控制系統魯棒性實驗 126
6.5 本章小結 128
參考文獻 130
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