The currently available exoskeleton for assisting the paraplegic patient in walking usually adapts a pre-programmed gait that involves the patient following an exoskeleton lead. The system allows the patient to hold a pair of canes in order to keep balance, and does not contribute to keeping balance without the patient’s action. This paper proposes an algorithm based on the zero moment point (ZMP) to modify the gait generated through human walking synergy for paraplegic patients who make use of the exoskeleton system and hold their canes. The proposed ZMP will enable the paraplegic patient to keep balance during walking and also reduce the burden in maintaining balance. First, a pair of cane is used as an interface to control the user’s walking and then, the synergy between legs and canes is used to synchronize the user’s walking intention during the exoskeleton movement. The walking synergy is extracted from the able-bodied subject walking with a pair of canes and analyzed using principal component analysis (PCA). In order to improve the walking stability, the hip joint angle on stance leg during walking was modified based on ZMP. Furthermore, a nonlinear inverted pendulum (NIP) model was utilized in order to generate a gait with a fully stretched knee joint angle that is similar to human gait. The proposed method was verified via the Gazebo simulation using a walking robot to simulate a patient wearing an exoskeleton. The experiment results show that the walking stability was highly improved after gait modification.

中文翻译：

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步态调整改善外骨骼辅助截瘫患者的步行稳定性

当前可用于协助截瘫患者行走的外骨骼通常适应预先编程的步态，该步态涉及患者遵循外骨骼引导。该系统允许患者握住一对手杖以保持平衡，并且在没有患者行动的情况下不会有助于保持平衡。本文提出了一种基于零力矩点（ZMP）的算法，用于对使用外骨骼系统并握住拐杖的截瘫患者通过人的步行协同作用产生的步态进行修改。拟议中的ZMP将使截瘫患者在行走过程中保持平衡，并减轻保持平衡的负担。首先，将一对手杖用作控制用户行走的接口，然后，腿和手杖之间的协同作用用于在外骨骼运动过程中同步使用者的步行意图。步行协同作用是从身体健壮的受试者用一对手杖行走中提取的，并使用主成分分析（PCA）进行分析。为了提高步行的稳定性，基于ZMP对步行过程中站立小腿的髋关节角度进行了修改。此外，利用非线性倒立摆（NIP）模型来生成具有完全伸展的膝盖关节角度的步态，该步态类似于人的步态。通过使用步行机器人模拟戴外骨骼的患者的凉亭模拟，验证了所提出的方法。实验结果表明，步态改变后步行稳定性得到了很大改善。步行协同作用是从身体健壮的受试者用一对手杖行走中提取的，并使用主成分分析（PCA）进行分析。为了提高步行的稳定性，基于ZMP对步行过程中站立小腿的髋关节角度进行了修改。此外，利用非线性倒立摆（NIP）模型来生成具有完全伸展的膝盖关节角度的步态，该步态类似于人的步态。通过使用步行机器人模拟戴外骨骼的患者的凉亭模拟，验证了所提出的方法。实验结果表明，步态改变后步行稳定性得到了很大改善。步行协同作用是从身体健壮的受试者用一对手杖行走中提取的，并使用主成分分析（PCA）进行分析。为了提高步行的稳定性，基于ZMP修改了步行过程中站立小腿的髋关节角度。此外，利用非线性倒立摆（NIP）模型来生成具有完全伸展的膝关节角的步态，该步态类似于人的步态。通过使用步行机器人模拟戴外骨骼的患者的凉亭模拟，验证了所提出的方法。实验结果表明，步态改变后步行稳定性得到了很大改善。基于ZMP对步行过程中站立小腿的髋关节角度进行了修改。此外，利用非线性倒立摆（NIP）模型来生成具有完全伸展的膝盖关节角度的步态，该步态类似于人的步态。通过使用步行机器人模拟戴外骨骼的患者的凉亭模拟，验证了所提出的方法。实验结果表明，步态改变后步行稳定性得到了很大改善。基于ZMP修改了步行过程中站立小腿的髋关节角度。此外，利用非线性倒立摆（NIP）模型来生成具有完全伸展的膝盖关节角度的步态，该步态类似于人的步态。通过凉亭模拟，使用步行机器人模拟戴外骨骼的患者，验证了所提出的方法。实验结果表明，步态改变后步行稳定性得到了很大改善。