基于足底壓力的人機(jī)耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析算法研究.pdf

1、零力矩點(diǎn)(Zero Moment Point,ZMP)理論自南斯拉夫貝爾格萊德大學(xué)的M.Vukobratovi(c)提出以來(lái)，一直被作為雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)定性判據(jù)。近年來(lái)，隨著機(jī)器人外骨骼的發(fā)展，這個(gè)理論也越來(lái)越多的被應(yīng)用到外骨骼上。但這個(gè)理論運(yùn)用的先決條件往往被忽視：ZMP只有在動(dòng)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(shí)有兩點(diǎn)弊端：首先它無(wú)法解釋單點(diǎn)著地行走時(shí)的穩(wěn)定性；其次，對(duì)一些特殊情況，當(dāng)外骨骼的重心已經(jīng)遠(yuǎn)

2、離平衡可控位置時(shí)，即使ZMP在地面支撐域內(nèi)，但此時(shí)的步態(tài)仍是非常不穩(wěn)定的。其實(shí)，與動(dòng)態(tài)中的物體穩(wěn)定性最直接相關(guān)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(duì)類(lèi)似于外骨骼機(jī)器人的人機(jī)耦合系統(tǒng)，越來(lái)越多的學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向?qū)OG即重心的分析和控制。COG與物體各個(gè)部分的質(zhì)量密度以及空間位置有關(guān)，而實(shí)際系統(tǒng)中，物體的各個(gè)部分可能存在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，并且其質(zhì)量密度分布也比較復(fù)雜，因此COG在實(shí)

3、際現(xiàn)實(shí)中測(cè)量非常困難。因此對(duì)于人機(jī)耦合系統(tǒng)的動(dòng)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(guān)系，同時(shí)ZMP與地面對(duì)物體反作用力存在關(guān)系，因此本文試圖建立足底壓力與COG的間接關(guān)系算法，使得在控制和判斷外骨骼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)涉及變量更少，控制更加簡(jiǎn)單。
　　在本文的研究中，將外骨骼機(jī)器人和穿戴者視為統(tǒng)一的人機(jī)耦合系統(tǒng)，通過(guò)足底受到的地面反作用力來(lái)計(jì)算實(shí)時(shí)ZMP的變化，并根據(jù)前人的理論基礎(chǔ)，建立ZMP與COG的關(guān)系算法，