外骨骼助行机器人连续步态规划分析

桓 茜^1,2，王 伟¹

(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)

基金项目：陕西工业职业技术学院科研基金资助项目（2020YKYB-041）；引进高层次人才科研启动基金资助项目（2020-02）

作者简介：桓茜（1991—）,女,助教,博士研究生，主要从事外骨骼机器人技术研究，2603572583@qq.com.

摘要：外骨骼式下肢助行机器人的步态轨迹是当今研究的热点问题，稳定合理的步态运动是外骨骼有效辅助人体的基本保障。针对外骨骼式下肢助行系统的步态轨迹问题，基于零力矩点（ZMP）理论，采用五点规划法将人体步态划分为5个特殊姿态点，并求解相应的位置和角度坐标。利用MATLAB平台的三次样条插值函数模块，求解这些特殊点的三次样条曲线，仿真出髋关节和踝关节的轨迹曲线。最后根据ZMP动态轨迹方程，求解外骨骼系统的ZMP曲线，结果表明步态轨迹连续光滑，与理想的重心轨迹方向一致，符合外骨骼系统的轨迹路径要求。

关键词：外骨骼助行机器人；步态规划；零力矩点；MATLAB仿真

中图分类号：TH113.2；TP242   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)04-0026-05

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。

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］。