外骨骼助行机器人连续步态规划分析

桓 茜，王 伟

(1.陕西工业职业技术学院航空工程学院，陕西 咸阳 712000)(2.西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021)

外骨骼助行机器人(以下简称外骨骼)属于一种双足仿人机器人动力系统，穿戴在人体下肢上面，在时间、动作上与人体下肢实现同步协调工作[1-3]。轨迹规划一直属于外骨骼机器人研究热点问题，稳定合理的步态轨迹是外骨骼系统辅助人体运动的基本前提[4]。

1 ZMP稳定判据方法

1.1 人体步态行走的稳定性分析

下肢的动态行走是一个复杂的运动过程，正常行走时人体会产生向前的惯性力[5]，如图1所示，外骨骼工作过程中，如果重心始终投影在足部脚掌范围内，则人体的步态过程是连续、稳定的[6]，否则人体步态过程是不稳定的。

图1 人体动态行走重心轨迹

1.2 基于ZMP的稳定性分析

为了让外骨骼的动态重心投影在有效支撑面内，引入零力矩点(zero moment point，ZMP)理论来研究步态的稳定性，要求ZMP点位于足部的有效支撑区域[7]。

外骨骼可理解为是k个连杆的空间质心系，第j个质点Mj在空间的状态如图2所示，P点为ZMP点(xzmp，yzmp，0)，经推导可知，下肢外骨骼动态行走的重心轨迹方程为[8-9]：

(1)

(2)

图2 质点Mj的空间状态

当下肢行走的速度非常慢或加速度为0时，可忽略下肢各关节惯性力的作用，则式(1)变为静态行走时的轨迹方程。

2 外骨骼的步态轨迹规划

人体下肢外骨骼的运动过程复杂，常用的步态规划方法是五点规划法[10]。将下肢运动过程划分为5个姿态，如图3所示。

图3 五点规划法

图中：t0时刻表示步行开始；……