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 基於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 腿部輔助弔升結構設計 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 關鍵零部件分析036
2.7 本章小結045

第3章 臥式下肢康復訓練機器人繫統運動學與動力學分析047
3.1 概述047
3.2 人機繫統運動學分析047
3.2.1 人機繫統運動學建模048
3.2.2 人機繫統運動學仿真 053
3.3 人機繫統動力學分析 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 驅動繫統動力學建模 065
3.5 人機協調動力學建模 066
3.6 人機繫統動力學仿真 067
3.7 本章小結 071

第4章 臥式下肢康復訓練機器人控制繫統設計與魯棒性 072
4.1 概述 072
4.2 控制繫統硬件組成 072
4.3 臥式下肢康復訓練機器人控制策略 074
4.3.1 基於模糊PID 控制算法的被動康復控制策略 074
4.3.2 基於力、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繫統魯棒性 082
4.4.1 基於強跟蹤濾波的臥式下肢康復訓練機器人控制繫統特性分析 083
4.4.2 臥式下肢康復訓練機器人伺服繫統模型的建立 085
4.4.3 基於STF 的康復訓練運動控制繫統濾波環節設計 088
4.5 臥式下肢康復訓練機器人控制繫統與繫統魯棒性仿真驗證 090
4.5.1 控制繫統仿真驗證090
4.5.2 控制繫統魯棒性仿真驗證095
4.6 本章小結099

第5章 基於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 基於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 基於ER 的規則推理過程 104
5.4.2 基於Fmincon 算法的BRB 參數優化 106
5.5 基於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 康復訓練控制繫統魯棒性實驗 126
6.5 本章小結 128

參考文獻 130

機器人應用於康復保健領域是機器人產業發展的必然趨勢，但目前臥式下肢康復訓練機器人由於結構、控制繫統和康復效果評估等方面的技術局限性，在患者康復過程中存在康復舒適性差和康復效果不佳的問題。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、康復控制繫統設計與魯棒性、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，主要內容如下：
以人體下肢康復運動療法與下肢屈曲運動角度變化規律為出發點，結合人體下肢肌肉解剖學特性和相關參數，提出具有針對性的、適合個性化訓練的臥式下肢康復訓練機器人的結構設計方案，在保證患者康復位置與下肢運動角度多樣性的同時，確保康復過程的舒適性，對關鍵零部件進靜力學分析，提高設備結構的可靠性。
從人體下肢的生理結構中提取與人體下肢運動功能等效的運動學模型，進而準確模擬轉動曲柄和康復位置變化下的下肢膝關節與髖關節運動關節角度範圍內的可達空間，合理確定康復機器人的物理參數，給出機器人結構參數影響下肢關節角度的內在變化規律。利用拉格朗日法建立人體下肢動力學和人機繫統動力學模型，揭示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繫，通過Adams 與Matlab 聯合仿真分析，獲得康復過程中人機繫統的動力學參數，為制定有效的康復策略和控制策略提供理論依據。
研究不同康復階段下肢臨床特點，確定康復各階段下肢關節活動度的維持與訓練方法。研究在下肢運動康復過程中，不同控制策略對患者康復效果的影響，構建被動、示教學習，以及助力和主動阻抗等多種康復訓練控制策略，得出不同控制策略下下肢康復運動過程中關節運動特性與力學特性。針對康復訓練控制繫統魯棒性差的問題，建立伺服傳動繫統模型，提出基於強跟蹤濾波方法的自適應模糊PID 主被動控制策略，提高繫統魯棒性，確保康復過程的安全性。
基於肌力評定方法和置信規則庫理論，結合臨床康復理論、專家臨床經驗等定性知識和采集的真實有效的下肢康復狀態定量測試數據，建立下肢康復程度評估模型。由於專家經驗等定性知識的主觀性，采用Fmincon 優化算法對初始BRB 進行優化，提高模型的評估精度。通過與隱馬爾可夫算法進行對比分析，驗證置信規則庫評估方法的正確性和先進性，為建立置信規則庫的臨床下肢康復評估決策支持繫統奠定理論與實踐基礎。
基於臥式下肢康復訓練機器人機械結構和康復控制策略，研制臥式下肢康復訓練機器人實驗平臺，並研究基於Qualisys 運動捕捉繫統的外部實時測量實驗平臺，實現對下肢康復機器人的實驗研究，最終根據計算、仿真、分析的結果，綜合測試其各個性能指標，驗證所提出的理論和方法的正確性。
本書內容的研究得到了吉林省醫療儀器與器械產業技術創新戰略聯盟項目“交互式上下肢康復訓練機器人設計與開發”（項目編號：20150309005YY）和吉林省科技廳科技發展計劃項目“臥式下肢康復訓練機器人”（項目編號：2017307005YY）的支持。在本書編寫過程中，長春工業大學孫建偉教授和長春理工大學石廣豐教授提出許多寶貴意見，在此表示感謝！
由於筆者水平有限，書中難免存在不足之處，歡迎廣大讀者批評指正。

姜大偉
長春工業大學