第1章 緒論 001
1.1 本書內容的背景和意義 001
1.2 外骨骼機器人的研究綜述002
1.2.1 剛性外骨骼機器人002
1.2.2 柔性外骨骼機器人006
1.2.3 膝關節外骨骼機器人007
1.3 機構綜合的研究綜述009
1.3.1 可重構機構綜合009
1.3.2 四杆機構綜合 010
1.4 當前發展存在的問題 013
1.5 本書主要內容及章節安排 013
1.5.1 本書主要內容 013
1.5.2章節安排 014

第2章 膝關節外骨骼綜合方法 016
2.1 多理論 016
2.2 連杆曲線綜合 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 時序路徑綜合029
2.3.1 綜合方030
2.3.2 統一綜合方法034
2.3.3 算例036
2.4 混合條件綜合040
2.4.1 圓錐曲線篩選算法040
2.4.2 混合綜合方法042
2.4.3 算例044
2.5 膝關節外骨骼重構綜合方法047
2.6 本章小結048

第3章 膝關節外骨骼的尺度綜合049
3.1 膝關節外骨骼的錯位049
3.1.1 運動過程分析050
3.1.2 錯位分析 051
3.2 膝關節外骨骼的設計方法052
3.2.1 膝關節功能分析與設計要求052
3.2.2 膝關節外骨骼的功能設計方法053
3.2.3 平面四杆機構的優勢053
3.3 膝關節不同速度的軌跡實驗054
3.3.1 實驗模型與測試原理054
3.3.2 實驗方法055
3.3.3 實驗結果055
3.3.4 結果分析057
3.4 膝關節外骨骼的綜合方法057
3.4.1 目標點的提取058
3.4.2 綜合模型063
3.4.3 變量064
3.4.4 約束函數064
3.4.5 目標函數065
3.5 軌跡結果066
3.5.1 速度1.5m/s 的軌跡綜合067
3.5.2 速度2.5m/s 的軌跡綜合068
3.5.3 速度3.5m/s 的軌跡綜合070
3.6 本章小結073

第4章 膝關節外骨骼的可重構設計074
4.1 膝關節外骨骼重構綜合074
4.1.1 重構樣本的同源機構計算075
4.1.2 圖像法求解構型連杆交集079
4.1.3 可重構連杆參數的確定083
4.1.4 可重構連杆參數的調整086
4.2 可重構膝關節外骨骼綜合結果089
4.3 剛柔耦合膝關節外骨骼機構綜合 091
4.3.1 膝關節內旋/外旋功能的分析 091
4.3.2 柔性化建模方法092
4.3.3 柔性綜合與結構設計093
4.3.4 參數計算095
4.4 膝關節外骨骼設計結果096
4.5 本章小結097

第5章 膝關節外骨骼的性能分析098
5.1 分析指標的特點、聯繫與區別098
5.2 分析方法的基本原則 100
5.3 安全性分析—空間運動範圍 100
5.3.1 膝關節外骨骼的自由度分析 101
5.3.2 膝關節外骨骼的角度分析 102
5.3.3 膝關節外骨骼模型驗證 103
5.4 舒適性分析—軸線錯位 104
5.4.1 膝關節外骨骼模型軌跡分析方法 104
5.4.2 兩個變換區域的軌跡分析 105
5.4.3 兩個構態的軌跡分析 112
5.4.4 柔性化軌跡分析 116
5.5 舒適性分析——人機交互力 116
5.5.1 人機交互力的分析 117
5.5.2 人機交互力的對比 118
5.6 本章小結 119

參考文獻 120

外骨骼機器人（簡稱外骨骼）是智能機器人的典型代表之一，它可以實現人類智能與機器力量的結合，增強肌體的綜合能力，緩解負重和長時間工作帶來的疲勞。外骨骼機器人可以用於提升士兵在攜帶更多物資彈藥及作業設備時的運動速度與靈活性，也可以用於工業、建築業及搶險救災等勞動強度較大且不便於機械化作業的場景中，幫助穿戴者減緩肌肉勞損和預防職業病。
下肢外骨骼機器人通過輔助裝置與人體下肢並排連接，這需要下肢外骨骼機器人與穿戴者的下肢保持同步運動。由於膝關節的旋轉軸線是變化的，而單鉸鏈副的膝關節外骨骼旋轉軸線是固定的，兩者之間運動軌跡不能達到實時重合（也稱為軸線錯位）。軸線錯位對穿戴下肢外骨骼有多方面的影響：一方面軸線錯位的程度會隨運動速度的增加而增加，並導致兩者運動協調性變差以及人機交互力變大，甚至在綁縛裝置的作用下會使穿戴者面臨安全風險；另一方面穿戴者和外骨骼之間的軸線錯位也會影響外骨骼的助力效率和穿戴舒適性。為此，本書基於平面四杆機構的連杆綜合理論，提出一種可重構膝關節外骨骼結構設計方法，並對膝關節外骨骼的性能開展研究，主要內容如下：
（1） 提出了一種四杆機構連杆軌跡綜合方法，以滿足膝關節外骨骼設計可變軸線結構的高效要求，為設計基於可重構機構的膝關節外骨骼奠定理論基礎。目前連杆軌跡綜合的主要困難在於軌跡綜合方八次的非線性方程組。通過研究軌跡綜合方程的參數關繫和非線性方，得到一個獨三次非線性方程組，使得求解方程組的難度降低，提高了求解效率。在連杆軌跡綜合理論方面，還提出了一種時序路徑的統一綜合方法以及一種姿態點和路徑點混合的綜合方法。
（2） 基於功能組合原理提出了一種可重構綜合方法，並利用該方法得到一種膝關節外骨骼結構。利用視覺跟蹤繫統記錄三種運動速度的膝關節軌跡，分別對不同速度的膝關節運動軌跡的實驗數據進行軌跡綜合。針對每一種運動軌跡，利用圖譜法確定連杆參數分布範圍，基於優化算法計算各參數的具體值並保留不同誤差下的結果。建立不同結果對應參數組的軌跡綜合方程，利用提出的解析法計算軌跡綜合方程的全部解。方程全部解對應的是參數組的同源機構，這樣就擴充了不同速度連杆參數的樣本。基於圖像法對不同速度下的連杆參數組進行組合和篩選，分析圖像各參數的聚集情況，得到可重構膝關節外骨骼的結構參數，實現對應不同速度四杆機構的組合。在剛性可重構結構的基礎上，對機構中的固定鉸鏈進行的置換設計，以減輕運動過程中的錯位程度。
（3）提出了一種基於軸線錯位計算的膝關節外骨骼穿戴安全性和舒適性的分析方法。將膝關節外骨骼的自由度和膝關節外骨骼的活動角度作為具體分析參數，與人體膝關節的活動範圍對比，證明了外骨骼結構的安全性；通過計算膝關節外骨骼與膝關節之間的軌跡誤差，得到不同速度下的平均錯位距離為1.608mm。以人機交互力量化穿戴外骨骼結構本體後的舒適性，並通過件約束力公式計算人機交互力，結果表明可重構膝關節外骨骼的舒適性比單鉸鏈副的膝關節外骨骼提高10.83 倍。
本書是筆者在機構學與外骨骼領域研究成果的有機整合，研究內容受到山西省重點研發項目（201903D421051）、山西省研究生創新項目（批準號：2020BY090）、山西省自然科學基金項目（201801D221235）的資助，在此表示感謝！同時感謝中北大學李瑞琴教授對筆者科研工作的指導！
限於筆者水平，書中難免有疏漏和不妥之處，懇請讀者和各位專家批評指正。

著者