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| 編輯推薦： |
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《康复机器人关键技术 安全控制》是作者在多年研究成果的基础上编写而成的，内容实用、表述清楚，结合实际解决问题，着重讨论康复机器人系统的安全性和跟踪性问题，从控制的视角给出保障人机合作系统安全性的方案。书中研究康复机器人数学模型、执行器故障、各轴速度约束、安全速度性能、轨迹跟踪误差约束、运动状态约束、人机作用力观测、有限时间稳定跟踪及速度决策限时学习安全控制问题，给出康复机器人跟踪误差系统的稳定性条件及安全控制器的求解方法，解决了康复机器人安全控制的技术问题。《康复机器人关键技术 安全控制》提出若干新的理论、方法和技术，为发展康复机器人安全控制理论和应用提供了途径。主要供从事康复机器人研究的科研人员参考，也可作为高等学校相关专业研究生的参考书。
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| 內容簡介： |
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《康复机器人关键技术 安全控制》着重讨论康复机器人系统的安全性和跟踪性问题，从控制的视角给出保障人机合作系统安全性的方案。书中研究康复机器人数学模型、执行器故障、各轴速度约束、安全速度性能、轨迹跟踪误差约束、运动状态约束、人机作用力观测、有限时间稳定跟踪及速度决策限时学习安全控制问题，给出康复机器人跟踪误差系统的稳定性条件及安全控制器的求解方法，解决了康复机器人安全控制的技术问题。《康复机器人关键技术 安全控制》提出若干新的理论、方法和技术，为发展康复机器人安全控制理论和应用提供了途径。 《康复机器人关键技术 安全控制》内容实用、表述清楚，结合实际解决问题，主要供从事康复机器人研究的科研人员参考，也可作为高等学校相关专业研究生的参考书。
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| 目錄：
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第1章 绪论 1
1.1 国内外下肢康复机器人研究现状 1
1.1.1 国外下肢康复机器人研究现状 1
1.1.2 国内下肢康复机器人研究现状 4
1.2 不确定康复训练机器人跟踪控制的研究现状 5
1.3 状态受限康复训练机器人跟踪控制的研究现状 6
1.4 康复机器人运动速度决策的研究现状 7
1.5 康复机器人人机相互作用跟踪控制的研究现状 8
1.6 本书的主要成果 9
参考文献 11
第2章 康复机器人数学模型 17
2.1 康复机器人结构 17
2.2 康复机器人人机系统偏移的运动学模型 18
2.3 康复机器人人机系统偏移的动力学模型 20
2.4 康复机器人具有电机驱动环节的动力学模型 22
2.5 本章小结 25
参考文献 26
第3章 康复机器人执行器故障的安全跟踪控制 27
3.1 非线性冗余输入系统描述 27
3.2 康复机器人冗余输入模型 28
3.3 康复机器人鲁棒非脆弱安全控制 30
3.3.1 鲁棒非脆弱控制器的设计 30
3.3.2 稳定性分析 31
3.3.3 仿真结果 33
3.4 康复机器人自适应鲁棒输入约束安全控制 36
3.4.1 自适应鲁棒安全控制器的设计 36
3.4.2 输入约束自适应鲁棒安全控制器的设计 38
3.4.3 稳定性分析 39
3.4.4 仿真结果 42
3.5 康复机器人独立于康复者质量的鲁棒安全控制 48
3.5.1 独立于康复者质量的特性分析 48
3.5.2 鲁棒安全控制器的设计及稳定性分析 49
3.5.3 仿真结果 52
3.6 本章小结 55
参考文献 55
第4章 康复机器人各轴运动速度直接约束的安全控制 57
4.1 康复机器人各轴跟踪误差系统描述 58
4.2 各轴速度直接约束安全控制 59
4.2.1 安全控制器的设计 59
4.2.2 仿真分析 62
4.3 各轴速度直接约束保性能安全控制 64
4.3.1 非脆弱保性能安全控制器的设计 64
4.3.2 仿真分析 70
4.4 各轴速度与加速度同时直接约束的安全控制 74
4.4.1 康复机器人不确定各轴跟踪误差系统描述 74
4.4.2 速度和加速度同时约束的控制器设计 77
4.4.3 仿真分析 80
4.5 本章小结 83
参考文献 83
第5章 康复机器人具有安全速度性能的跟踪控制 85
5.1 康复机器人安全速度性能补偿跟踪控制 86
5.1.1 安全速度性能的描述 86
5.1.2 Backstepping安全速度性能补偿控制器的设计 86
5.1.3 稳定性分析 88
5.1.4 仿真结果 89
5.2 康复机器人安全速度性能迭代学习控制 93
5.2.1 人机不确定康复机器人系统描述 93
5.2.2 安全速度模型预测方法 93
5.2.3 安全速度性能自适应迭代学习控制器的设计 95
5.2.4 稳定性分析 96
5.2.5 仿真分析 98
5.3 本章小结 102
参考文献 103
第6章 康复机器人轨迹跟踪误差约束的安全控制 105
6.1 最优轨迹跟踪误差安全预测控制 106
6.1.1 康复机器人预测模型的描述 106
6.1.2 安全预测控制 108
6.2 康复机器人安全运动轨迹跟踪控制 109
6.2.1 安全运动轨迹的描述 109
6.2.2 跟踪误差约束的安全运动轨迹控制 112
6.2.3 仿真分析 116
6.3 本章小结 120
参考文献 120
第7章 康复机器人轨迹和速度同时跟踪的安全控制 123
7.1 康复机器人的安全预测控制 124
7.1.1 康复机器人的预测模型 124
7.1.2 任意初始位置安全预测控制器的设计 125
7.1.3 仿真分析 128
7.2 康复机器人非脆弱安全预测控制 132
7.2.1 非脆弱安全预测控制器的设计 132
7.2.2 稳定性分析 136
7.2.3 仿真分析 137
7.3 康复机器人速度和轨迹同时跟踪的解耦安全控制 143
7.3.1 输入输出线性化解耦模型 143
7.3.2 安全控制器设计与稳定性分析 146
7.3.3 仿真分析 147
7.4 本章小结 148
参考文献 149
第8章 康复机器人抑制人机作用力的安全控制 151
8.1 康复机器人人机作用力的安全预测控制 151
8.1.1 基于冗余结构特征的人机作用力观测 151
8.1.2 最优轨迹跟踪预测控制器的设计 154
8.1.3 仿真结果 156
8.2 康复机器人人机作用力识别的自适应控制 161
8.2.1 人机作用力的模糊识别 161
8.2.2 自适应跟踪控制器的设计 163
8.2.3 仿真结果 165
8.3 康复机器人人机作用力辨识的随机跟踪控制 168
8.3.1 人机作用力辨识的随机模型 168
8.3.2 随机跟踪控制器的设计 170
8.3.3 误差系统稳定性分析 174
8.3.4 仿真结果 175
8.4 本章小结 180
参考文献 181
第9章 康复机器人有限时间随机安全跟踪控制 183
9.1 随机质量变化的康复机器人动力学模型 183
9.2 康复机器人的运动速度约束 185
9.3 有限时间随机安全跟踪控制 187
9.4 仿真结果 191
9.5 本章小结 197
参考文献 198
第10章 康复机器人速度决策的限时学习安全控制 201
10.1 具有不确定偏移量的人机系统动力学模型 202
10.2 基于强化学习的运动速度决策方法 203
10.3 人机协调运动限时学习迭代控制方法 204
10.3.1 人机协调运动安全控制器的设计 204
10.3.2 跟踪误差系统稳定性分析 204
10.4 仿真分析 207
10.5 本章小结 212
参考文献 212
结论和建议 215
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| 內容試閱：
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步行训练机器人可以改善患者行走能力，帮助患者回归社会，实现自主生活，受到了研究者的广泛关注。在患者的康复训练过程中，保障人机系统的安全性非常重要。本书从系统控制的视角探讨了康复机器人的安全技术问题，在执行器故障、运动速度约束、运动轨迹约束、抑制人机作用力、有限时间稳定性、限时学习跟踪训练等方面开展了研究，提出了若干新的安全控制方法和技术，丰富了康复机器人跟踪控制的研究成果。本书主要内容如下。
(1) 研究了康复机器人重心偏移情况下发生的模型状态变化，建立了康复机器人重心偏移的运动学模型和动力学模型；同时，考虑康复机器人的电机驱动环节，建立了带有电机驱动的动力学模型。
(2) 研究了康复机器人执行器故障情况下的安全控制机制，分别描述了鲁棒非脆弱控制、自适应鲁棒控制和输入约束自适应鲁棒控制抑制执行器故障对人机系统的影响，提高了康复机器人控制系统的鲁棒性和安全性，为处理康复机器人执行器故障提供了解决方案。
(3) 研究了康复机器人系统的各轴运动速度直接约束的安全控制问题，提出了各轴速度直接约束控制方法、非脆弱保性能直接约束控制方法、速度和加速度同时直接约束控制方法。通过巧妙地设计Lyapunov稳定条件，使控制器直接约束各轴的运动速度，并利用非脆弱控制技术和人机系统不确定性滤波估计方法提高了控制系统的鲁棒性能，为人机系统获得安全运动速度提供了解决方案。
(4) 研究了康复机器人具有安全速度性能的跟踪控制问题，通过幅值受限函数和模型预测方法对全方向康复步行训练机器人的运动速度进行了限制，进而获得机器人运动的安全速度；提出了速度约束补偿控制方法和自适应迭代学习控制方法，给出了限制系统运动速度的补偿技术和处理人机系统不确定性的自适应方案，进而获得了康复机器人具有安全速度性能的跟踪控制策略。
(5) 研究了康复机器人轨迹跟踪误差约束安全控制问题，分别提出了最优轨迹跟踪误差安全预测控制和跟踪误差约束安全运动轨迹控制，通过建立轨迹跟踪误差性能指标函数和约束条件，并求解具有控制增量形式的二次规划问题，获得了实现轨迹跟踪误差约束的安全预测控制器；同时，通过定义安全运动轨迹并建立任意初始位置的辅助运动轨迹，构建误差系统的渐近稳定条件，得到了康复机器人约束轨迹跟踪误差的控制策略，为人机系统获得安全运动轨迹提供了一种新方法。
(6) 研究了康复机器人运动轨迹和速度同时约束的安全问题，给出了辅助运动轨迹构造方案，使康复机器人从任意位置出发都能同时实现运动轨迹和运动速度跟踪，且将跟踪误差约束在指定范围内，保证了康复机器人系统运动轨迹和运动速度的安全性。为了提高控制系统的鲁棒性，提出了非脆弱安全预测控制方法，并分析了跟踪误差系统的稳定性条件。建立了康复机器人运动速度和驱动力之间的解耦模型，并设计非线性控制器实现运动轨迹和速度同时跟踪，为人机系统获得安全运动状态提供了解决方案。
(7) 研究了康复机器人的人机交互力观测方法，通过分别设计定常和时变增益相结合的观测器、模糊建模和利用跟踪误差逆向辨识技术获得了人机交互力；提出了非线性预测控制方法、自适应控制方法和随机跟踪控制方法抑制人机交互力对康复机器人运动的影响，同时实现轨迹跟踪误差和速度跟踪误差系统的稳定性，提高了人机系统的跟踪精度，避免过大的轨迹跟踪误差使康复机器人发生碰撞危险，过大的速度跟踪误差使人机系统运动不协调而威胁训练者的安全，保障了康复机器人系统的安全性，获得了人机交互力辨识方法和安全跟踪控制策略。
(8) 研究了康复机器人适用于不同康复者质量随机变化的跟踪控制方法。通过构建康复机器人的动力学模型，提出了随机有限时间控制方法抑制不同训练者对跟踪性能的影响；基于运动学模型，提出了速度约束模型预测方法，通过限制每个轮子的输入，约束机器人的运动速度，并将受限的运动速度引入跟踪误差系统，基于Lyapunov稳定理论分析了跟踪误差系统的有限时间随机稳定性，为不同康复训练者有限时间的安全稳定训练及随机系统实时速度约束提供了新技术。
(9) 研究了康复机器人运动速度决策和限时学习迭代控制方法，通过建立具有不确定偏移量的人机系统动力学模型，并根据机器人和康复者当前的速度误差提出了机器人速度决策方法；利用决策的运动速度设计了限时学习迭代控制器，并分析了跟踪误差系统在限时学习时间内的稳定性，抑制了康复训练者位姿不确定性对跟踪性能的影响，从而实现人机系统运动速度协调一致，提高了康复机器人的智能性，保障康复训练者主动训练的安全性。
本书是作者在多年研究成果的基础上编写而成的。在此，衷心感谢日本工程院院士、高知工科大学王硕玉教授，感谢他多年的悉心指导和支持。本书参阅了大量的参考文献，在此对这些文献的作者一并表示感谢。
由于作者编写水平有限，疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正。
孙 平
2022年6月
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