下肢外骨骼机器人步态规划和步行控制的研究

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1、ResearchonGaitPlanningandWalkingControlforLowerLimbExoskeletonRobotADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZhaoHongliangSupervisor：Prof.ShiJinglunSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TP242.6学校代号：10561学号：201320108753华南理工大学硕士学位论文下肢外骨骼机器人步态规划和步行

2、控制的研究作者姓名：赵宏亮指导教师姓名、职称：史景伦教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：通信与信息系统研究方向：下肢外骨骼机器人步态规划和步行控制论文提交日期：2016年4月20日论文答辩日期：2016年6月8日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：委员：华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研巧所取得的研巧成果。除了文中特别加Ｗ标注引用的内容外，本论文不包含任何其化个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献。的个

3、人和集体，均己在文中Ｗ明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。＞日期６：年作者签名：＾月Ａ日；＾＾学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留，即：研、使用学位论文的规定究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被査阅（除在保密期内的保密论文外）学校可Ｗ公布学位论文的全部或；、。部分内容，可Ｗ允许采用影印缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文一致本人电子文档的内容和纸质论文的内容相。

4、本学位论文属于：□保密，在解密后适用本授权书。年Ｖ不保密意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的，同单位浏觉；同意将本人学位论文提交中国学术期刊（光盘版）电子杂志社全文出版和编入ＣＮＩＧ《中国知识资源总库》，传播学位论文的全部或部分内容。＂＂（请在Ｗ上巧应方框内打Ｖ）作者签名挤ｉ日期：）指导教师签名：日期；２４６摘要随着社会的不断发展，科技水平的日新月异，利用数字化、自动化、信息化技术制作机械控制系统以突破人体生物极限，延伸人体活动范围已成为常态。下肢外骨骼机器人在此背景下应运

5、而生。它是一种帮助下肢残障患者恢复正常行走的装置，是数字化技术、自动化技术、信息技术应用于医学、社会学领域的新产物。作为以提供下肢行走能力为目标的机器人，其步行时的稳定性、姿态的协调性是首要的考虑因素。要获得理想的步行效果，必须从理论上进行步态的规划并从实际上进行步态的控制。步态规划是在理想的情况下，设计出下肢外骨骼机器人各关节期望的运动轨迹，是成功和有效的实现稳定行走的理论基础和关键技术。而步态控制是在实际的情况下，结合已有的规划成果，在下肢外骨骼机器人上实现，是鉴定步态好坏和姿态协调与否的直接方法。本文在征集和分析国内外大量相

6、关文献资料的基础上，重点研究了下肢外骨骼机器人的步态规划与步行控制，主要研究工作如下：首先，结合人体生物力学原理与双足行走时的特性，建立下肢外骨骼机器人的抽象模型。采用坐标系表示法对人体前向运动进行正逆运动学分析，目的是获得行走时人体各关节的位姿；采用Lagrange方程对运动力学进行分析，目的是获得各关节的作用力和力矩。其次，介绍了广泛应用于双足步行机器人稳定性控制的ZMP理论并推导了它的公式；介绍了广泛应用于电机轨迹控制的三次样条插值法及其求解方法，并基于这种插值方法，提出了一种可应用于连续行走过程以及起步行走过程的五点步态规

7、划法。最后，根据所有理论成果，挑选出应用于实际的关键器材，设计了一个下肢外骨骼机器人以作为检验步行效果的实验平台。通过导入规划的步态参数来实现步行功能，利用实时ZMP坐标的计算结果来检验步行姿态的稳定性，通过观察的方法来检验姿态的协调性。关键词：外骨骼、机器人、零力矩点、步态规划、三次样条插值IAbstractWiththecontinuousdevelopmentofsocietyandtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theuseofautomationandinformati

8、ontechnologytoproducemechanicalsystemtobreakthelimitsofthehumanbody,extendingtherangeofhumanactivities,hasbecomethenorm.Lowe