本書著力體現機械系統和生命本體的深度融合,強調人體運動能量的收集與精準管理,探索人體運動能量在生命體與機械體之間的產生、存儲和釋放機理,通過運動狀態感知匹配,構建生機一體的能量精準收集與遷移系統,提出基于人體下肢膝關節做功的能量收集與跨肢體能量遷移方法,在人體運動過程中實現功能增強或者功能代償。
本書可供機器人工程、機械結構設計、運動與康復醫學工程、康復醫療器械開發、工業產品設計的科研工作者和相關工程技人員閱讀使用,也可作為高等院校相關專業師生的教學參考書。

隨著科學技術不斷進步,人類對于未知領域不斷探索,機械設計學科在過去幾十年里得到了快速發展。從最初的簡單機械裝置到如今復雜精密的機械系統,機械設計的進步不僅推動了工業生產的發展,也深刻影響著我們日常生活的方方面面。作者致力于探索機械設計在外骨骼開發領域的應用。外骨骼作為一種能夠增強人類生理能力和提升工作效率的技術,正在受到越來越多研究者的關注。
本書還將深入探討人體能量收集技術的最新進展。隨著能源問題的日益突出,如何有效地收集和利用人體產生的能量成為了一個備受關注的話題。通過結合機械設計和人機工程學原理,深入分析各種可能的人體能量收集技術,并探討其在實際應用中的可行性和效果。傳感測試技術在機械設計和外骨骼開發中也起著至關重要的作用。傳感器的精準測量和數據采集為機械裝置的性能優化和改進提供了關鍵支持。本書將介紹各種傳感測試技術的原理和應用,并探討其在外骨骼裝置中的具體應用案例。
本書將通過詳細的實驗測試驗證所提出的機械設計方案和技術手段的可行性和有效性。通過嚴謹的實驗設計和數據分析、一系列可靠的實驗結果,為機械設計和外骨骼開發領域的研究提供有力支持。本書將以全面系統的方式介紹機械設計、外骨骼開發、人體能量收集技術、傳感測試技術以及實驗測試驗證等方面的最新進展和研究成果。作者期待通過這些內容的分享和交流,為推動人體能量收集與人體穿戴技術在設計領域發展貢獻更大的力量。
本書是在國家縱向課題與企業橫向課題的支持下,在該領域開展的一系列科學研究工作總結,研究項目包括中央軍委科技委項目、陜西省教育廳科學研究計劃項目、陜西省自然科學基礎研究計劃一般項目等。
本書的相關研究工作獲得了西北工業大學、陜西科技大學、西安理工大學、西安交通大學與西安航空學院等眾多高校科研工作人員的支持,在此深表謝意。
本書參考、引用了作者團隊合作伙伴以及國內外同行的相關成果,在此向他們致謝。學生羅強、姚元宸、薛強強、蘆鵬波、喬凱、韓爍、李杰、趙小康、王辰希、李睿梓、安家樂等對本書的研究做出了貢獻,學生郝嘉鑫、李松昊、安科豪與金昱嫻參與了書稿的整理工作,在此一并表示感謝。
感謝西安理工大學藝術與設計學院工業設計系的國家一流專業(工業設計、產品設計)學科培養經費的支持。
人體能量收集與利用技術、人體穿戴外骨骼技術正在飛速發展,本書僅是對作者前一研究階段工作的一個總結,難免存在不完善之處,敬請讀者批評指正。

著者

第1章　緒論001
1.1　引言001
1.2　研究背景和意義001
1.3　人體能量收集與存儲機理004
1.3.1 人體能量代謝機理004
1.3.2 人體能量收集方式與原理008
1.3.3 人體能量存儲方式與原理009
1.4　人體運動能量收集研究現狀010
1.4.1 振動式能量收集器研究現狀010
1.4.2 電磁感應式能量收集器研究現狀011
1.4.3 壓電感應式能量收集器研究現狀014
1.4.4 摩擦發電式能量收集器研究現狀015
1.5　人體能量遷移研究現狀018
1.5.1 上肢能量遷移研究現狀019
1.5.2 下肢能量遷移研究現狀020
1.6　穿戴式下肢康復外骨骼研究021
1.7　現有研究中存在的主要問題023
1.8　本書主要研究內容024
參考文獻026

第2章　人體下肢能量收集方法研究034
2.1　引言034
2.2　人體下肢運動特性分析035
2.2.1 人體肌骨模型研究036
2.2.2 人體下肢步態研究037
2.2.3 人體下肢關節做功研究046
2.3　人體下肢能量收集原理與方法049
2.3.1 收集原理049
2.3.2 收集方法051
2.4　患者受損步態與運動康復需求分析054
2.4.1 偏癱步態運動特點055
2.4.2 康復訓練方法策略056
2.4.3 康復訓練階段058
2.4.4 康復訓練治療的作用060
2.4.5 康復訓練研究任務061
2.4.6 康復訓練現存問題061
2.5　行走數據采集與下肢運動仿真研究063
2.5.1 行走數據采集實驗063
2.5.2 下肢運動仿真分析074
2.6　人體下肢力學模型與人機交互機理099
2.6.1 人體下肢運動學與動力學分析103
2.6.2 人機交互機理與力學分析118
2.7　本章小結129
參考文獻130

第3章　人體跨肢體能量遷移方法研究與系統設計135
3.1　引言135
3.2　人體能量遷移方法研究136
3.2.1 能量流動理論136
3.2.2 能量遷移方法136
3.3　機械傳動系統設計139
3.3.1 擺動凸輪式傳動裝置結構設計142
3.3.2 端齒離合式傳動裝置結構設計148
3.4　人體穿戴結構設計157
3.5　人機交互感知識別方法165
3.5.1 位置姿態測試研究166
3.5.2 足底壓力測試研究190
3.5.3 肌電信號測試研究192
3.6　人機交互控制系統設計196
3.6.1 控制系統設計196
3.6.2 控制系統測試201
3.7　本章小結204
參考文獻205

第4章　人體下肢能量收集與遷移系統特性研究209
4.1　引言209
4.2　平面蝸卷彈簧力學模型210
4.2.1 平面蝸卷彈簧應力分析215
4.2.2 平面蝸卷彈簧儲能分析218
4.3　平面蝸卷彈簧儲能研究220
4.3.1 平面蝸卷彈簧柔性體模型構建220
4.3.2 平面蝸卷彈簧有限元仿真分析221
4.4　傳動系統力學建模與分析227
4.4.1 繩索傳動力學模型構建227
4.4.2 人機耦合振動力學模型構建232
4.4.3 傳動系統動力學仿真研究234
4.4.4 人機耦合動力學仿真研究239
4.5　本章小結241
參考文獻243

第5章　人體下肢能量收集與遷移系統測試評價244
5.1　引言244
5.2　人體能量傳動系統性能測試與評價245
5.3　人體能量收集存儲性能測試與評價247
5.4　人體穿戴實驗測試與評價248
5.4.1 位置姿態測試與分析249
5.4.2 肌電信號測試與分析254
5.4.3 足底壓力測試與分析266
5.5　本章小結275
參考文獻276

第6章　總結與展望278
6.1　研究工作總結278
6.2　本書創新點281
6.3　現有研究的不足與展望282
6.4　未來可能的研究方向283