基于改进DMPs的下肢助行机器人步行楼梯的轨迹规划

为了辅助下肢功能障碍患者实现在不同尺寸楼梯行走，运用改进的动态运动基元(DMPs)结合机器人运动学分析规划下肢助行机器人运动轨迹和步态。首先，基于D-H模型，建立下肢助行机器人末端机构位姿与各关节角度的关系。然后，使用改进DMPs模仿预先采集到的正常人体步行楼梯轨迹曲线，根据楼梯高度和宽度参数修改目标点，泛化后得到适应新场景的轨迹曲线。再运用机器人逆运动学分析，规划出适应于不同尺寸楼梯的下肢助行机器人踝关节和髋关节运动轨迹。经过仿真实验验证，基于改进的DMPs结合逆运动学分析能有效地规划助行机器人运动的步态，使机器人能适应不同参数的楼梯行走。

全球每年新增脊髓损伤患者有25 万到50 万，脊髓损伤发生率约为10.4~83 人每百万人[1]。脊髓损伤患者中有相当一部分最终会截瘫失去下肢运动能力。下肢助行机器人能有效地为下肢机能损伤患者提供支撑，并帮助患者完成平地行走、步行楼梯等下肢运动。合理规划下肢助行机器人行走步态，能更有效安全地帮助下肢功能不全患者重获下肢运动能力。

目前，日本筑波大学推出了HAL 外骨骼，可帮助双腿瘫痪、胸部以下截瘫患者站立、行走[2] [3]。

韩国Walk on suit 机器人可以帮助下肢瘫痪患者实现平地、楼梯、坡道等路况行走[4]。中科院先进技术研究所运用传感器结合脑电信号研发了一款外骨骼机器人， 并对其在线步态规划进行了研究[5] [6]。

上海傅里叶研发的Fourier 机器人可应用于辅助截瘫或偏瘫患者行走[7]。北京大艾机器人研发的AiLegs 下肢外骨骼可以运用单步行走的方式辅助患者上下楼梯[8]。

下肢机器人的步态规划策略主要有以下几种：1) 使用预定义步态控制，预先采集正常人运动步态， 将其转化为电机转动角度后，直接控制电机运转。该方法易于实现，但修改数据较为困难，无法适应于不同使用场景[9] [10]。2) 使用动力学模型规划轨迹，采集机器人工作时的反作用力信息，结合机器人动力学模型， 求得机器人运动步态和轨迹。

此方法的有效性极大程度上依赖于建立模型的精确性[11]。

3) 使用样条曲线规划轨迹，该方法在确定轨迹关键点(运动始末点、最高点等)后，使用三次样条、五次样条等样条曲线对关键点进行拟合，以获得机器人运动轨迹。该方法生成的曲线较为光滑，但其泛化学习能力较为不足。

动态运动基元(Dynamic Movement Primitives, DMPs)是一种基于模仿学习的机器人轨迹规划方法，其运用一个带有强迫项的弹簧阻尼模型二阶动力系统对初始轨迹进行编码，根据目标点的改变进行轨迹的泛化学习。该方法计算的效率较高，规划的轨迹光滑、连续性好，泛化学习能力强，适合用于不同环境下的机器人轨迹规划[12]。

本文中将运用动态运动基元结合机器人正逆运动学建模， 规划适用于不同尺寸楼梯的机器人步态和轨迹。