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。

前言
第1章绪论1
1.1下肢外骨骼机器人概要1
1.1.1下肢外骨骼概念1
1.1.2下肢外骨骼应用2
1.2下肢外骨骼机器人的发展现状3
1.2.1国内下肢外骨骼的发展3
1.2.2国外下肢外骨骼的发展7
1.3下肢外骨骼机器人的控制方法12
1.3.1经典PID控制13
1.3.2灵敏度放大控制13
1.3.3自适应控制14
1.3.4神经网络控制15
1.3.5模糊控制15
1.3.6鲁棒控制16
1.4本章总结17
参考文献17
第2章下肢外骨骼机器人建模22
2.1下肢外骨骼机器人运动学建模22
2.2下肢外骨骼机器人动力学建模25
2.2.1引言25
2.2.2单支撑状态模型25
2.2.3双支撑状态模型32
2.3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35
3.1迭代学习控制35
3.2外骨骼神经网络迭代学习位置约束控制36
3.2.1引言36
3.2.2输出位置约束38
3.2.3控制算法设计39
3.2.4稳定性分析40
3.2.5仿真研究45
3.2.6小结48
3.3基于扩张状态观测器的外骨骼迭代学习控制48
3.3.1引言48
3.3.2扩张状态观测器50
3.3.3控制算法设计51
3.3.4稳定性分析52
3.3.5仿真研究55
3.3.6小结58
3.4不依赖模型的外骨骼自适应迭代学习控制58
3.4.1引言58
3.4.2控制算法设计60
3.4.3稳定性分析63
3.4.4仿真研究67
3.4.5小结72
3.5外骨骼增强神经自适应迭代学习控制72
3.5.1引言72
3.5.2控制算法设计73
3.5.3稳定性分析76
3.5.4仿真研究81
3.5.5小结84
3.6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91
4.1阻抗控制原理91
4.2基于名义模型的外骨骼阻抗控制92
4.2.1引言92
4.2.2阻抗控制器设计92
4.2.3稳定性分析95
4.2.4仿真研究97
4.2.5小结101
4.3外骨骼神经学习阻抗控制101
4.3.1引言101
4.3.2神经学习阻抗控制102
4.3.3稳定性分析107
4.3.4仿真研究110
4.3.5小结112
目录
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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113
4.4.1引言113
4.4.2运动意图估计114
4.4.3控制器设计118
4.4.4仿真研究122
4.4.5小结129
4.5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133
5.1液压驱动系统133
5.1.1引言133
5.1.2液压驱动器原理134
5.1.3外骨骼液压驱动系统结构135
5.1.4液压驱动系统动态模型136
5.2液压驱动外骨骼采样控制137
5.2.1引言137
5.2.2外骨骼离散时间模型138
5.2.3控制器设计139
5.2.4稳定性分析141
5.2.5仿真研究143
5.2.6小结146
5.3液压驱动外骨骼自适应反步控制147
5.3.1引言147
5.3.2控制器设计147
5.3.3稳定性分析149
5.3.4仿真研究151
5.3.5小结152
5.4基于干扰观测器的外骨骼液压驱动关节滑模控制153
5.4.1引言153
5.4.2控制器设计154
5.4.3稳定性分析161
5.4.4仿真研究162
5.4.5小结165
5.5外骨骼液压驱动系统输出反馈重复学习控制166
5.5.1引言166
5.5.2扩张状态观测器167
5.5.3输出反馈控制器设计169
5.5.4稳定性分析171
5.5.5仿真研究176
5.5.6小结177
5.6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184
6.1液压驱动外骨骼系统的约束问题184
6.2受输出约束的液压驱动外骨骼自适应控制185
6.2.1引言185
6.2.2控制器设计186
6.2.3稳定性分析189
6.2.4仿真研究192
6.2.5小结193
6.3外骨骼液压驱动关节输出约束容错控制193
6.3.1引言193
6.3.2外骨骼执行器故障模型194
6.3.3容错控制器设计195
6.3.4稳定性分析199
6.3.5仿真研究201
6.3.6小结205
6.4受死区约束的外骨骼液压驱动器神经网络控制206
6.4.1引言206
6.4.2执行器死区模型206
6.4.3状态反馈方法208
6.4.4输出反馈方法213
6.4.5仿真研究217
6.4.6小结220
6.5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224
7.1柔性关节外骨骼224
7.2柔性关节外骨骼模型与控制方法226
7.2.1自适应方法226
7.2.2奇异摄动法227
7.2.3输入整形法227
7.2.4智能控制法228
7.3基于奇异摄动的柔性关节下肢外骨骼自适应控制228
7.3.1引言228
7.3.2奇异摄动228
7.3.3控制器设计229
7.3.4仿真研究232
7.3.5小结235
7.4柔性关节外骨骼模糊反演控制235
7.4.1引言235
7.4.2模糊控制器设计236
7.4.3稳定性分析247
7.4.4仿真研究249
7.4.5小结253
7.5基于观测器的外骨骼自适应控制253
7.5.1引言253
7.5.2基于观测器的控制设计253
7.5.3稳定性分析256
7.5.4仿真研究257
7.5.5小结259
7.6本章总结259
参考文献260
第8章外骨骼系统实现与应用262
8.1引言262
8.2基于完整动力学的外骨骼自适应控制设计与应用263
8.2.1液压驱动外骨骼系统结构263
8.2.2外骨骼传感器配置264
8.2.3含液压动态的完整动力学模型265
8.2.4控制器设计268
8.2.5实验研究273
8.2.6小结278
8.3外骨骼系统混合控制设计与应用278
8.3.1混合控制外骨骼系统结构278
8.3.2外骨骼传感器配置280
8.3.3混合控制策略与控制器设计282
8.3.4实验研究287
8.3.5小结291
8.4本章总结291
参考文献291

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