下肢外骨骼机器人变步长步态规划方法
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（ 1． 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院，辽宁 抚顺 113006； 2． 上海宇航系统工程研究所，上海 201100）
摘 要： 为了解决下肢外骨骼机器人连续步态规划问题，基于倒立摆模型提出了一种步态规划算法，并针
对传统倒立摆模型无法变步长连续行走的问题提出了新的改进方法。将外骨骼机器人分成支撑腿和摆动
Abstract： In order to solve problem of continuous gait planning of lower limb exoskeleton robot，a gait planning algorithm based on the inverted pendulum model is proposed，and a new improved method is proposed for the traditional inverted pendulum model which can not change the step size continuous walking problem． First of all， the exoskeleton robot is divided into two parts，which are supporting leg and swinging leg，respectively using D-H method for kinematics analysis； using inverted pendulum model and fixed function method for equivalent centroid and swing leg end trajectory planning； insert double feet support phase between adjacent single foot support phase， which makes the lower extremity exoskeleton robot，switch position and velocity using double feet support phase while changing walking，to achieve real-time gait planning． Finally，the plan algorithm is implemented in SIMULINK，and joint simulation is carried out with ADAMS model，the lower extremity exoskeleton robot walks stably in the simulation environment，it is proved that the algorithm is effective． Keywords： lower limb exoskeleton； kinematics； gait planning
联合仿真，下肢外骨骼机器人在仿真环境下行走稳定，证明了算法的有效性。
关键词： 下肢外骨骼； 运动学； 步态规划
中图分类号： TP 242． 6
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 06—0048—05
Gait planning method of lower limb exoskeleton robot with variable step size*
腿两部分，分别采用 D-H 法进行运动学分析； 利用倒立摆模型和固定函数法，进行等效质心与摆动腿末端
轨迹规划； 在相邻单脚支撑期之间插入双脚支撑期，使下肢外骨骼机器人在不断改变步行时，利用双脚支
撑期进行位置和速度的切换，实现实时步态规划； 将规划算法在 SIMULINK 中实现，并与 ADAMS 模型进行
48
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2019 年 第 38 卷 第 6 期
DOI： 10． 13873 / J． 1000—9787（ 2019） 06—0048—05
下肢外骨骼机器人变步长步态规划方法*
张瀚中1 ，曹江涛1 ，邹怀武2
龙等 人［5］ 直 接 改 变 步 态 的 步 长，其 规 划 不 稳 定，需 要 加 入 时间和零力矩点（ zero moment point，ZMP） 补偿的方式进行 实时调整，增加了计算量。
为了提高外骨骼机器人的适应性，本文提出了一种改 进的倒立摆步态规划算法，在行进过程中实时改变步长，通 过虚拟样机仿真实验证明了该方法的有效性。 1 下肢外骨骼机器人模型描述及运动学分析 1． 1 下肢外骨骼机器人自由度分析
为了达到辅助人体步行的目的其结构应与人体保持一 致，在运动中不发生干涉，所以，下肢外骨骼机器人在设计
0引言 宇航员在太空中的作业能力和安全性对航天任务的完
成和载人航天技术的发展都有着举足轻重的意义。 目前的 步 态 算 法 多 采 用 离 线 规 划 且 固 定 周 期 和 步
长［1］，无法满足太空行走所要求的灵活性和适应性； 倒立 摆算法参考了机器人自身动力学特性，具有很好的稳定性 和实时性被大量采用［2，3］。但传统倒立摆算法无法完成变 步长场景下的实时规划，为 此 冯 帅 等 人［4］ 采 用 改 变 进 行 支 撑脚切换时等效质心的位置进行规划，但没有解决切换支 持脚时质心速度突变产生的力对机构产生损伤问题； 张世
ZHANG Hanzhong1 ，CAO Jiangtao1 ，ZOU Huaiwu2
（ 1． College of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113006，China； 2． Institute of Aerospace System Engineering of Shanghai，Shanghai 201100，China）
摘 要： 为了解决下肢外骨骼机器人连续步态规划问题，基于倒立摆模型提出了一种步态规划算法，并针
对传统倒立摆模型无法变步长连续行走的问题提出了新的改进方法。将外骨骼机器人分成支撑腿和摆动
Abstract： In order to solve problem of continuous gait planning of lower limb exoskeleton robot，a gait planning algorithm based on the inverted pendulum model is proposed，and a new improved method is proposed for the traditional inverted pendulum model which can not change the step size continuous walking problem． First of all， the exoskeleton robot is divided into two parts，which are supporting leg and swinging leg，respectively using D-H method for kinematics analysis； using inverted pendulum model and fixed function method for equivalent centroid and swing leg end trajectory planning； insert double feet support phase between adjacent single foot support phase， which makes the lower extremity exoskeleton robot，switch position and velocity using double feet support phase while changing walking，to achieve real-time gait planning． Finally，the plan algorithm is implemented in SIMULINK，and joint simulation is carried out with ADAMS model，the lower extremity exoskeleton robot walks stably in the simulation environment，it is proved that the algorithm is effective． Keywords： lower limb exoskeleton； kinematics； gait planning
联合仿真，下肢外骨骼机器人在仿真环境下行走稳定，证明了算法的有效性。
关键词： 下肢外骨骼； 运动学； 步态规划
中图分类号： TP 242． 6
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 06—0048—05
Gait planning method of lower limb exoskeleton robot with variable step size*
腿两部分，分别采用 D-H 法进行运动学分析； 利用倒立摆模型和固定函数法，进行等效质心与摆动腿末端
轨迹规划； 在相邻单脚支撑期之间插入双脚支撑期，使下肢外骨骼机器人在不断改变步行时，利用双脚支
撑期进行位置和速度的切换，实现实时步态规划； 将规划算法在 SIMULINK 中实现，并与 ADAMS 模型进行
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传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2019 年 第 38 卷 第 6 期
DOI： 10． 13873 / J． 1000—9787（ 2019） 06—0048—05
下肢外骨骼机器人变步长步态规划方法*
张瀚中1 ，曹江涛1 ，邹怀武2
龙等 人［5］ 直 接 改 变 步 态 的 步 长，其 规 划 不 稳 定，需 要 加 入 时间和零力矩点（ zero moment point，ZMP） 补偿的方式进行 实时调整，增加了计算量。
为了提高外骨骼机器人的适应性，本文提出了一种改 进的倒立摆步态规划算法，在行进过程中实时改变步长，通 过虚拟样机仿真实验证明了该方法的有效性。 1 下肢外骨骼机器人模型描述及运动学分析 1． 1 下肢外骨骼机器人自由度分析
为了达到辅助人体步行的目的其结构应与人体保持一 致，在运动中不发生干涉，所以，下肢外骨骼机器人在设计
0引言 宇航员在太空中的作业能力和安全性对航天任务的完
成和载人航天技术的发展都有着举足轻重的意义。 目前的 步 态 算 法 多 采 用 离 线 规 划 且 固 定 周 期 和 步
长［1］，无法满足太空行走所要求的灵活性和适应性； 倒立 摆算法参考了机器人自身动力学特性，具有很好的稳定性 和实时性被大量采用［2，3］。但传统倒立摆算法无法完成变 步长场景下的实时规划，为 此 冯 帅 等 人［4］ 采 用 改 变 进 行 支 撑脚切换时等效质心的位置进行规划，但没有解决切换支 持脚时质心速度突变产生的力对机构产生损伤问题； 张世
ZHANG Hanzhong1 ，CAO Jiangtao1 ，ZOU Huaiwu2
（ 1． College of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113006，China； 2． Institute of Aerospace System Engineering of Shanghai，Shanghai 201100，China）