徐元杰+樊軍

摘 要：本文在傳統(tǒng)ZMP穩(wěn)定性判據(jù)的基礎上對ZMP穩(wěn)定性判據(jù)進行了改進，建立了人的外界干擾因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響的數(shù)學模型，然后對下肢外骨骼人機系統(tǒng)的運動過程穩(wěn)定性進行研究，按最大穩(wěn)定裕量原則對步態(tài)進行優(yōu)化。為了在不同情況下保持平衡，提出了步幅、調(diào)整新的控制措施。通過仿真實例驗證了所提出方法的正確可行性。

關(guān)鍵詞：下肢外骨骼；ZMP；穩(wěn)定性；優(yōu)化

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A

外骨骼步行穩(wěn)定的重點在于如何保持支撐腳與地面的相對安穩(wěn)，維持外骨骼人機系統(tǒng)的平衡，使外骨骼穿戴者步行時不發(fā)生傾倒。目前，零力矩點（Zero Moment Point，ZMP）是基于外骨骼人機系統(tǒng)動態(tài)步行是否穩(wěn)定的重要指標。ZMP是人機整體所受的重力、慣性力和地面反作用力三者的合力，在地面上投影應呈限于兩腳之間，即支撐腳底與地面接觸所構(gòu)成的最小凸多邊形有效撐持區(qū)間內(nèi)，則外骨骼人機系統(tǒng)才能使穩(wěn)定行走。下肢外骨骼在靜態(tài)行走時人機系統(tǒng)均處于平衡穩(wěn)定狀況，對于地面上重心的投影能夠一直處于支撐面之內(nèi)，因此外骨骼人機系統(tǒng)能達到穩(wěn)定狀況。但是，下肢外骨骼在穿在人身上后動態(tài)步行時，人體的外界不確定性因素使外骨骼在前向和側(cè)向產(chǎn)生慣性力作用，會使ZMP隨著擺動腳的落地變化可能超出支撐區(qū)域，這樣就造成了人體在穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)中來回變換。可知ZMP穩(wěn)定性判據(jù)對系統(tǒng)外界的干擾因素的動態(tài)穩(wěn)定性評估具有一定的局限性。因此在ZMP穩(wěn)定性判據(jù)的基礎上需對ZMP穩(wěn)定性判據(jù)進行改進，改進的ZMP動態(tài)穩(wěn)定性評估方法能有效地對下肢外骨骼冠狀面和矢狀面內(nèi)動態(tài)穩(wěn)定性進行評估。由于人機系統(tǒng)的運動過程比較復雜，如果同時考慮人機系統(tǒng)在行走過程中的側(cè)向和前向運動之間的耦合，那么分析會比較復雜。結(jié)合步態(tài)實際特征，為了得到人機系統(tǒng)運動受擾時平衡狀態(tài)的計算判定方法，本文僅考慮對在側(cè)向運動人機系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。

1.動態(tài)步行穩(wěn)定性檢測

下肢外骨骼在動態(tài)行走時，質(zhì)心具有速度，即便質(zhì)心投影處于支撐區(qū)域內(nèi)部也有存在失穩(wěn)的可能性，因此需要判斷下肢外骨骼運動受擾時是否處于平衡狀態(tài)。由于下肢外骨骼人機系統(tǒng)的側(cè)向運動可以簡化為倒立擺的模型運動并且具有周期性。

設人機的質(zhì)量m集中于質(zhì)量中心（center of mass， COM）。其中D1為質(zhì)心的位移；D2為人體腳底在地面的反力與壓力中央的位移，它的范圍被限制在人體的撐持面區(qū)域（即BOS）內(nèi)，其極限值分別為D2-min和D2-max，根據(jù)動力學原理，運動中若平衡，則人機系統(tǒng)運動中平衡的判斷條件為

其中，人機系統(tǒng)質(zhì)心的速度大小是V1。

2.改進的動態(tài)穩(wěn)定性評估方法

若參數(shù)發(fā)生相應的變化時，由（1）式可以很快判斷出此時人機系統(tǒng)是否平衡。如果人機系統(tǒng)的協(xié)同控制能力處于失穩(wěn)狀態(tài)，首先要確定外骨骼人機系統(tǒng)所在的支撐多邊形（BOS）中哪個邊是旋轉(zhuǎn)邊界，由此可以計算出來ZMP到旋轉(zhuǎn)邊界之間的距離。本文假設腳掌形狀為矩形，那么兩只腳共包括8個邊。候選的BOS是所有連接兩只腳的8個角的連線。左腳的頂角點分別用P1，P3，P5，P7來表示，右腳用P2，P4，P6，P8表示，其中P（X，Y）。通過兩個點Pi和Pj的連線用Lij表示。

則ZMP到Lij的距離可表示為

其中，Pij是zmp到Lij的垂足的位置矢量。

假如已知ZMP所處的位置，則通過等式（4）可以來確定旋轉(zhuǎn)邊界。由于在實際步態(tài)穩(wěn)定控制時需要按最大穩(wěn)定裕度d的要求對規(guī)劃的外骨骼人機系統(tǒng)的姿態(tài)進行優(yōu)化，亦可采用公式（5）來定量描述步態(tài)的穩(wěn)定程度。當d大于零時，步態(tài)處于平穩(wěn)狀態(tài)，且d的值越大，穩(wěn)定性越好；當d等于零時，步態(tài)臨界處于穩(wěn)定狀態(tài)；當d小于零時，則步態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.步態(tài)控制策略

可以通過采用跨步的方式來改變撐持多邊形，從而達到下肢外骨骼在受到外力擾動的情況下仍保持其平衡。人采取的動作和行為，其機理是改變支撐多邊形，由于協(xié)調(diào)控制的要求，必須研究跨步隨動的控制機制（策略）。如圖1所示，在沒有外部力量支撐的條件下，則移動的腳應當處于正常步副的平面位置上。但在外力作用情況下，下肢外骨骼要繞著旋轉(zhuǎn)邊旋轉(zhuǎn)。這時，腳的落地位置應該改變，以達到人機系統(tǒng)保持平衡的要求。

腳所移動的距離I *f 可由下計算得出：

其中，a*為腳的移動方向改變角α為旋轉(zhuǎn)腳與水平線夾角，β為移動后腳與水平線夾角。

假設我們忽視腳部的額外移動所發(fā)生的重心改變量，則下肢外骨骼在新的落腳點與落腳時將是十分平穩(wěn)的。

4.簡述仿真分析

完成人機系統(tǒng)的建模之后，我們采用動力學分析軟件ADAMS構(gòu)建外骨骼人機系統(tǒng)的仿真型，對擴大步幅的仿真進行了考量。通過一系列的數(shù)據(jù)可以看出，當受到來自外部力量的作用時，外骨骼人機系統(tǒng)的平穩(wěn)進行也能夠通過調(diào)整步幅來維持。

結(jié)語

本文對ZMP穩(wěn)定性判據(jù)進行了改進，對人的外界干擾因素對下肢外骨骼人機系統(tǒng)的運動過程穩(wěn)定性進行研究，按最大穩(wěn)定裕量原則對步態(tài)進行優(yōu)化。將下肢外骨骼簡化為倒立擺模型來進行動態(tài)步行穩(wěn)定性分析。討論了維持穩(wěn)定的方法：改變腳的著地位置。數(shù)字化仿真的模式體現(xiàn)了該方式的可行性。但如何實現(xiàn)可穿戴式下肢外骨骼在外界干擾下的實時控制還有待進一步研究。

參考文獻

[1]徐汝龍.一種可穿戴式下肢康復機器人的步態(tài)規(guī)劃及康復策略[D].西華大學，2012.