下肢助行外骨骼在软路面上行走的规划方法

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中文摘要：随着当前社会人口老龄化趋势的不断加剧，由于脊柱损伤、脑卒中、脑血栓等中枢神经系统疾病引起的下肢运动功能障碍患者的人数不断上升，患者对于重新行走的渴望日益强烈。下肢助行外骨骼机器人作为智能机器人技术与康复医疗理论相结合的新产物，可以通过为不同身体状况的患者提供正确合理的助行方案，帮助患者完成日常生活中的行走动作。国内外科研机构对下肢助行外骨骼机器人进行了大量研究，提出了很多行走规划方法，但应用场景只能是坚硬路面。因此，为了扩大下肢助行外骨骼机器人的应用范围，本文针对外骨骼在软路面上行走的情况提出了一种被动行走离线步态规划方法，以及一种主动行走稳定控制策略，并利用实验进行验证。本文的主要研究内容如下：首先，基于解剖学对人体下肢各关节生理构造和运动机理进行了详细的剖析，阐述了人体静态参数和动态参数的测量与计算方法，对正常行走过程中的步态特征进行了分析。搭建了运动信息采集系统，利用足底压力传感器和惯性测量单元实现了原始步态数据的获取。接着，解算外骨骼在软路面上行走过程中的关键步态信息。基于足底压力传感器的受力时序判断步态阶段；基于足底压力传感器的受力大小计算足底压力中心位置坐标。基于惯性导航原理解算助行外骨骼行走过程中的步长和步高。然后，利用D-H法和解析法对下肢助行外骨骼进行了运动学分析，求解了末端执行器位姿与各关节旋转角度之间的关系。运用ZMP理论详细分析了外骨骼保持步行稳定性的依据。针对助行外骨骼在软路面上连续行走的过程和起步行走的过程进行了离线步态规划。提出了一种基于人体质心位置校正的主动行走稳定性控制策略。最后，利用实验室搭建好的外骨骼实验平台，针对不同硬度的泡棉板进行了一系列行走实验。实验结果表明，针对外骨骼在软路面上行走提出的离线步态规划方法和基于人体质心位置校正的稳定控制策略的ZMP轨迹都始终处于稳定域内，可以确保外骨骼在软路面上行走时保持稳定性。

作者：

杨劲松

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关键词：

下肢助行外骨骼机器人步态规划稳定控制质心校正

授予学位：

硕士

学科专业：

机械工程

导师：

丛明

学位年度：

2021

学位授予单位：

大连理工大学

语种：

中文

中图分类号：