【摘 要】
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步态规划为助行外骨骼步态控制提供期望轨迹,其性能的好坏将直接影响到外骨骼行走。目前步态规划方法主要有两类,分别是基于人的步行特征生成步态和基于双足机器人步态规划理论生成步态的方法。它们分别以匹配人的运动学特性或提升外骨骼的平衡性能为目标,但不能同时实现这两个重要目标。为了提升外骨骼的平衡性能,同时使外骨骼行走匹配受试者的运动学特性,本文通过分析人体步行实验并建立迈步位置的预测模型,将迈步位置预测模
【基金项目】
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国家重点研发计划项目:截瘫助行外骨骼系统关键技术研究及示范应用-人机系统运动协调和平衡控制（批准号:2017YFB1302302）；
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步态规划为助行外骨骼步态控制提供期望轨迹,其性能的好坏将直接影响到外骨骼行走。目前步态规划方法主要有两类,分别是基于人的步行特征生成步态和基于双足机器人步态规划理论生成步态的方法。它们分别以匹配人的运动学特性或提升外骨骼的平衡性能为目标,但不能同时实现这两个重要目标。为了提升外骨骼的平衡性能,同时使外骨骼行走匹配受试者的运动学特性,本文通过分析人体步行实验并建立迈步位置的预测模型,将迈步位置预测模型与逆运动学模型结合提出了一种在线步态规划方法,通过外骨骼平地行走仿真与实验对该方法进行验证。主要工作如下:（1）根据人体关节空间与任务空间的步态特征相似性,提出了基于任务空间特征与逆运动学模型的关节空间步态规划方法。实验结果表明,相对于传统的关节空间步态规划方法,该方法在不同个体间的性能提升34%,具有更好的个体适应性。（2）针对下肢截瘫患者尚存的躯干自主运动会对外骨骼平衡造成严重影响这一问题,提出了融合躯干动力学的瞬时捕获点（Instantaneous Capture Point,ICP）模型进行迈步位置的预测,以提高外骨骼的平衡能力。7名受试者的平地行走实验结果显示,改进ICP模型预测迈步位置的误差为10.4%。与传统ICP模型相比,改进ICP模型的预测误差下降了68.5%,迈步位置预测的准确度显著提高。（3）基于有限状态机进行步态相位切换的规划,结合所提出的迈步位置预测及关节空间步态规划方法,实现助行外骨骼的在线步态规划,并通过开展平地行走仿真和实验对外骨骼的平衡性能进行分析。相对于传统的ICP步态规划方法,在平地行走仿真中,我们的方法质心投影到足中线的距离|Dft|的平均值下降了0.78cm（19%）,最大值下降了2.27cm（31%）;在三名受试者的外骨骼实验中,|Dft|的平均值下降了0.35cm（10%）,最大值下降了1.77cm（23%）;在外加干扰的平地行走仿真中,相同的干扰条件下,我们的方法由干扰引起的平衡损失Δ|Dft|8（6）更小。外骨骼平地行走仿真和实验结果表明,相对于传统的ICP步态规划方法,论文所提出的方法可使外骨骼人机系统具有更强的平衡性能。
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