基于足底壓力的人機耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析算法研究.pdf

1、零力矩點(Zero Moment Point,ZMP)理論自南斯拉夫貝爾格萊德大學的M.Vukobratovi(c)提出以來，一直被作為雙足機器人動態(tài)平衡的穩(wěn)定性判據(jù)。近年來，隨著機器人外骨骼的發(fā)展，這個理論也越來越多的被應用到外骨骼上。但這個理論運用的先決條件往往被忽視：ZMP只有在動態(tài)平衡的狀態(tài)下才存在。因此在判斷人與外骨骼結(jié)合的步態(tài)穩(wěn)定性時有兩點弊端：首先它無法解釋單點著地行走時的穩(wěn)定性；其次，對一些特殊情況，當外骨骼的重心已經(jīng)遠

2、離平衡可控位置時，即使ZMP在地面支撐域內(nèi)，但此時的步態(tài)仍是非常不穩(wěn)定的。其實，與動態(tài)中的物體穩(wěn)定性最直接相關的是重心(Center of Gravity，COG)。由于ZMP理論在判斷穩(wěn)定性上的上述不足，特別是針對類似于外骨骼機器人的人機耦合系統(tǒng)，越來越多的學者將目光轉(zhuǎn)向?qū)OG即重心的分析和控制。COG與物體各個部分的質(zhì)量密度以及空間位置有關，而實際系統(tǒng)中，物體的各個部分可能存在動態(tài)運動，并且其質(zhì)量密度分布也比較復雜，因此COG在實

3、際現(xiàn)實中測量非常困難。因此對于人機耦合系統(tǒng)的動態(tài)COG只能間接得到。根據(jù)ZMP理論，ZMP與COG之間有著直接關系，同時ZMP與地面對物體反作用力存在關系，因此本文試圖建立足底壓力與COG的間接關系算法，使得在控制和判斷外骨骼運動狀態(tài)時涉及變量更少，控制更加簡單。
　　在本文的研究中，將外骨骼機器人和穿戴者視為統(tǒng)一的人機耦合系統(tǒng)，通過足底受到的地面反作用力來計算實時ZMP的變化，并根據(jù)前人的理論基礎，建立ZMP與COG的關系算法，