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下肢外骨骼系统稳定性分析和步态控制研究作者：徐元杰樊军
来源：《中国新技术新产品》2017年第11期
摘要：本文在传统ZMP稳定性判据的基础上对ZMP稳定性判据进行了改进，建立了人
的外界干扰因素对系统稳定性的影响的数学模型，然后对下肢外骨骼人机系统的运动过程稳定性进行研究，按最大稳定裕量原则对步态进行优化。为了在不同情况下保持平衡，提出了步幅、调整新的控制措施。通过仿真实例验证了所提出方法的正确可行性。
关键词：下肢外骨骼；ZMP；稳定性；优化
中图分类号：TH12 文献标识码：A
外骨骼步行稳定的重点在于如何保持支撑脚与地面的相对安稳，维持外骨骼人机系统的平衡，使外骨骼穿戴者步行时不发生倾倒。目前，零力矩点（Zero Moment Point，ZMP）是基于外骨骼人机系统动态步行是否稳定的重要指标。ZMP是人机整体所受的重力、惯性力和地面
反作用力三者的合力，在地面上投影应呈限于两脚之间，即支撑脚底与地面接触所构成的最小凸多边形有效撑持区间内，则外骨骼人机系统才能使稳定行走。下肢外骨骼在静态行走时人机系统均处于平衡稳定状况，对于地面上重心的投影能够一直处于支撑面之内，因此外骨骼人机系统能达到稳定状况。但是，下肢外骨骼在穿在人身上后动态步行时，人体的外界不确定性因素使外骨骼在前向和侧向产生惯性力作用，会使ZMP随着摆动脚的落地变化可能超出支撑区域，这样就造成了人体在稳定与不稳定状态中来回变换。可知ZMP稳定性判据对系统外界的干扰因素的动态稳定性评估具有一定的局限性。因此在ZMP稳定性判据的基础上需对ZMP稳定性判据进行改进，改进的ZMP动态稳定性评估方法能有效地对下肢外骨骼冠状面和矢状面内动态稳定性进行评估。由于人机系统的运动过程比较复杂，如果同时考虑人机系统在行走过程中的侧向和前向运动之间的耦合，那么分析会比较复杂。结合步态实际特征，为了得到人机系统运动受扰时平衡状态的计算判定方法，本文仅考虑对在侧向运动人机系统的稳定性分析。
1.动态步行稳定性检测
下肢外骨骼在动态行走时，质心具有速度，即便质心投影处于支撑区域内部也有存在失稳的可能性，因此需要判断下肢外骨骼运动受扰时是否处于平衡状态。由于下肢外骨骼人机系统的侧向运动可以简化为倒立摆的模型运动并且具有周期性。
设人机的质量m集中于质量中心（center of mass， COM）。其中D1为质心的位移；D2为人体脚底在地面的反力与压力中央的位移，它的范围被限制在人体的撑持面区域（即BOS）内，其极限值分别为D2-min和D2-max，根据动力学原理，运动中若平衡，则人机系统运动中平衡的判断条件为