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第1章 绪论1

1.1 改善头盔显示器的佩戴舒适性方面2

1.2 提升跟踪稳定性与实时性方面4

1.2.1 位置跟踪器4

1.2.2 头部运动预测5

1.3 HNE的设计要求和系统结构7

1.3.1 执行机构的结构设计7

1.3.2 驱动方式设计8

1.3.3 控制系统设计9

1.3.4 控制软件设计9

1.4 本书的主要研究内容10

第2章 执行机构的尺寸优化设计13

2.1虚拟座舱环境中头部运动特性分析15

2.1.1 头部运动范围分析16

2.1.2 六自由度运动空间的量化方法和头部运动空间六维包络超椭球体的计算20

2.1.3 运动速度分析37

2.1.4 运动精度分析38

2.2 优化设计38

2.2.1 设计参数38

2.2.2 运动特性指标目标函数39

2.2.3 优化算法、数学模型及优化结果42

2.3 优化结果分析45

2.3.1 非劣解验证45

2.3.2 最优解及其运动特性指标分析50

2.4 结论53

第3章 执行机构的运动学与动力学分析55

3.1 6URHS并联机构运动学分析56

3.1.1 位置分析57

3.1.2 速度分析59

3.1.3 加速度分析60

3.2 6URHS并联机构动力学分析61

3.2.1 驱动支链动力学分析61

3.2.2 动平台动力学分析69

3.3 模型验证71

3.4 建立6URHS并联机构动力学模型的必要性74

3.5 结论79

第4章 头颈部外骨骼系统动平台的参数辨识方法研究80

4.1 HNE对参数辨识方法的要求81

4.2 辨识方法83

4.2.1 连续预测方程的推导83

4.2.2 CDEKF84

4.2.3 CDSR-UKF86

4.3 CDEKF和CDSR-UKF的仿真与实验研究89

4.3.1 CDEKF与CDSR-UKF的仿真比较研究89

4.3.2 CDSR-UKF辨识效果的实验验证97

4.4 结论105

第5章 头颈部外骨骼系统的主动柔顺控制106

5.1 头部运动预测107

5.2 基于系统动力学模型的惯性项与非线性项补偿控制器111

5.2.1 控制器的设计111

5.2.2 稳定性分析114

5.3 仿真验证116

5.3.1 头部运动预测的仿真验证118

5.3.2 INCCDM效果的仿真验证121

5.4 INCCDM的实验验证124

5.4.1 HNE原型样机的主动柔顺控制框架124

5.4.2 基于力反馈与动力学模型的接触力计算124

5.4.3 验证实验126

5.5 基于头颈部表面肌电信息测量的头部运动预测算法147

5.5.1 头颈部运动变化与头颈部肌电信号（sEMG）的对应关系分析148

5.5.2 融合运动学跟踪信号和头颈部表面肌电信号的头部运动预测算法153

5.6 结论161

第6章 头颈部外骨骼系统的性能测试163

6.1 头颈部外骨骼系统的结构163

6.1.1 系统的运行环境163

6.1.2 系统的硬件结构164

6.1.3 系统软件169

6.1.4 系统的性能测试要求171

6.1.5 测试辅助硬件172

6.2 HNE的跟踪实验及其结果分析173

6.2.1 跟踪精确度与抗干扰能力测试173

6.2.2 跟踪稳定性对比178

6.2.3 位置跟踪延时178

6.3 其他性能测试178

6.3.1 HNE的运动特性极限178

6.3.2 动态阈值179

6.3.3 各驱动支链的耦合运动179

6.4 结论181

参考文献182

附录A 人体测量数据、人体上身结构模型及头部位置与姿态统计结果193

附录A.1 人体测量数据193

附录A.1.1 飞行员人体静态尺寸数据193

附录A.1.2 飞行员人体动态尺寸数据194

附录A.2 建立人体躯干至头部的结构模型196

附录A.2.1 关节运动类型196

附录A.2.2 简化人体骨骼体系196

附录A.3 4位飞行学员的头部运动位置与姿态直方图198

附录A.4 4位飞行学员的头部运动位置与姿态箱型图212

附录A.5 4位飞行学员头部运动的速度特性224

附录B 头颈部外骨骼系统的Simulink虚拟样机234

附录C 辨识仿真的状态向量估计结果236