随着机器人技术的飞速发展以及智能康复医疗的普及,用于帮助截瘫患者进行康复训练的外骨骼机器人成为研究热点。截瘫患者在穿戴外骨骼静态站立时,不可控的扰动可能导致人机系统失衡甚至摔倒,对患者造成二次伤害。为避免此类情况的发生,研究者们以人体平衡为出发点,结合双足机器人平衡策略探寻外骨骼机器人的静态平衡方法。本文通过分析正常人受扰动时的平衡策略,结合人与外骨骼人机系统的差异性,提出了截瘫助行外骨骼机器人静态平衡策略。主要研究工作如下:对正常人进行静态站立扰动实验,实验结果表明,正常人在受到扰动时会采取踝关节策略、踝髋混合策略或迈步策略来恢复平衡。考虑到截瘫助行外骨骼踝关节为被动关节,静态平衡恢复策略仅能从迈步策略入手。在迈步策略中,通过分析外推质心落点位置,确立了迈步与不迈步的分界条件。基于可变长度倒立摆模型,用外推质心到支撑域的最短距离作为稳定程度的计算方法,分析得出人体受扰动时的质心最佳落点应位于两脚中间。为了量化扰动与质心落点的关系,本文在扰动迈步实验数据基础上,对比了常用回归模型的优劣性,最终选取了梯度提升回归树模型对质心的动态特征进行了预测,结果显示质心落点相差10mm左右,质心速度相差15mm/s左右。为了完成截瘫助行外骨骼静态平衡策略,需要确定拐杖落点和脚落点。因截瘫助行外骨骼机器人受下肢关节自由度的限制,腿部仅能在矢状面运动,为抵抗斜方向的扰动需要使用拐杖来分担其横向速度分量。本文用预测的质心落点数据结合静态稳定指标,给出可行的拐杖落点区域,根据实验数据在此区域建立拐杖落点的高斯分布,并拟合出扰动力与此高斯分布的关系进而确定拐杖落点;同时,在权衡稳定程度与手臂支撑力的基础上,通过最优化的方法计算出最佳落脚点。基于Gazebo搭建截瘫助行外骨骼人机模型,实现关节控制器、逆运动学和静态平衡策略的算法,在仿真平台上验证了该静态平衡策略的有效性。本文提出的截瘫助行外骨骼静态平衡策略实现了静止站立下的人机系统平衡恢复。穿戴外骨骼的截瘫患者在站立状态受到扰动时,就能通过挪拐杖和迈步的方式达到新的平衡状态,安全性得到了提高。