基于仿人機器人伺服關節步態實驗研究

何洪軍，劉福強，馬傳寶，袁德宇，張東寧

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

基于仿人機器人伺服關節步態實驗研究

何洪軍，劉福強，馬傳寶，袁德宇，張東寧

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

討論了仿人機器人采用伺服電機作為驅動時所需步態的特征，對不同人的走和跑等步態設計了相應的實驗，通過測試儀器獲得相應數據。通過分析得到了相應的運動特征，為仿人機器人的伺服電機選型提供了指導，為仿人機器人的步態研究提供了指導和參考。

伺服電機；步態；關節； 特征

0 引 言

隨著信息化時代的不斷發展，機器人的應用越來越廣泛。國家為了鼓勵機器人產業的發展頒布了《中國制造2025》研究規劃，大力扶持機器人的智能化、信息化發展。機器代替人是現代工業發展的必然趨勢，很多工廠的重復性勞動都已被工業機器人所取代，提高了生產效率降低了勞動成本[1-2]。而仿生機器人，特別是仿人機器人方面的產品問世很少，原因在于仿人機器人的步態分析復雜，很難提供一種通用的步態方式符合所有人的行走步態特征。此外，仿人機器人關節用電機都是特征扁平的微型電機，需滿足高轉矩、低脈動的特點，因此在其設計、加工和制造都是技術難點[3]。關節用伺服電機中國電子科技集團公司第二十一所有自主研發能力，可以滿足相應關節電機的要求。在步態研究方面，國內外已有很多科研機構開展了步態方面的探索，哈爾濱工程大學針對仿人機器人開展了步態的理論推導和分析，在理論上得到了人體行走的步態行為數學模型描述[4]；以色列Rewalks機器人公司，針對不同人的步態特征給出了相應的步態運動曲線[5]；美國加州理工大學，針對仿人機器人做了行走步態實驗，得到了行走步態的運動特征[6-7]。但是，上述研究都沒有完整地開展過仿人機器人步態測試實驗的研究，沒有給出仿人機器人在不同運動模式下的步態特征，因而針對仿人機器人步態通用化的設計急需對不同步態開展實驗研究，為仿人機器人實現類人化提供技術基礎。因此，本文針對仿人機器人用伺服電機所需步態特征，通過對不同人的走和跑等步態進行了實驗，得到了相應的運動特征[8]，為仿人機器人的步態研究提供了指導和參考。

1 實驗原理

本文針對不同的人進行了走、跑和蹲的步態實驗，實驗中所用儀器有慣性傳感器、數據采集卡和同步數據合成儀。具體實驗儀器設備如圖1、圖2所示。

圖1 實驗所用數據采集卡和同步數據合成儀

圖2 慣性傳感器安裝圖

慣性傳感器是一種可以檢測和測量加速度、關節旋轉角度、功率、位移、沖擊和震動的多自由度運動傳感器。本實驗采用了7個慣性傳感器，分別布置于腳背、膝蓋、大腿及后背，當人體運動時各布置的慣性傳感器將采集所在部位的數據，然后通過數據采集卡及同步數據合成儀，給出膝關節和髖關節旋轉的角度、角加速度和功率等數據值。

實驗過程中選取3個不同的人進行了行走、跑步和上下臺階的步態實驗，并對相應的實驗數據進行了整理分析，提取了多個周期在一個步態下的合成圖，為進一步得到通用步態特征數據提供參考。

2 實驗過程

路面行走步態實驗，通過3個不同體重和身高的人進行步態實驗，選取采集數據的20個周期得到相應各關節的角度、加速度、角加速度圖。實驗結果如下。

2.1 行走時步態特征

3個不同體態的人分別以速度0.8 m/s和1 m/s行走進行步態測試，經過實驗分析得到行走時三人共有的膝關節和髖關節步態特征曲線如圖3～圖8所示。

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

通過3個不同的體態的人進行了多次數據采集及分析，分別得到了三人行走時共有的髖關節前后伸展步態特征、髖關節內旋步態特征、髖關節外旋步態特征、膝關節前后伸展角度特征、膝關節角速度特征和膝關節角加速度特征。

通過對行走步態的測試，可以根據髖關節隨時間變化的角度曲線，進行髖關節運動步態運動的規劃，進而選擇相應的伺服電機完成相應的動作。從上圖可以看出，膝關節前后伸展的運動幅度比髖關節大，因而膝關節運動時有極大的運動角速度和突變的角加速度，可以結合膝關節行走運動步態的3個數據特征，對膝關節的步態進行規劃，最后配備相應的伺服電機完成相應的動作。

2.2 跑步時步態特征

3個不同體態的人分別以3.5 m/s和4.9 m/s的速度跑步進行步態測試，經過實驗并進行相關分析得到跑步時三人共有的膝關節和髖關節步態特征曲線如圖9～圖14所示。

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續分布曲線

(b) 疊加分布曲線

圖13 跑步時膝關節前后伸展角速度特征曲線

圖14 跑步時膝關節前后伸展角加速度特征曲線

通過3個不同體態的人進行了多次跑步數據采集及分析，分別得到了三人跑步時共有的髖關節前后伸展步態特征、髖關節內旋步態特征、髖關節外旋步態特征、膝關節前后伸展角度特征、膝關節角速度特征和膝關節角加速度特征。

通過對跑步態的測試，可以根據髖關節隨時間變化的角度曲線，進行髖關節運動步態運動的規劃，進而選擇相應的伺服電機完成相應的動作。從上圖可以看出膝關節前后伸展的運動幅度比髖關節大，因而膝關節運動時有極大的運動角速度和突變的角加速度，可以結合膝關節行走運動步態的3個數據特征，對膝關節的步態進行規劃，最后配備相應的伺服電機完成相應的動作。

3 結 語

本文針對仿人機器人用伺服電機所需步態的特征，通過對不同的走和跑等步態進行了實驗，得到了相應的髖關節和膝關節的步態運動特征，為仿人機器人的步態行走和穩定性研究提供了數據參考，為仿人機器人伺服關節的運動提供了對照特征，為進一步研究仿人機器人的步態運動提供了參考。

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作者簡介：何洪軍， 博士研究生，主要從事機器人整機設計、機器人控制系統設計、伺服關節驅動設計等研究。

Experimental Study on Human Gait Characteristics of Servo Joint Based on Humanoid Robot

HEHong-jun,LIUFu-qiang，MAChuan-bao,YUANDe-yu,ZHANGDong-ning

(No.21 Research Institute of CETC,Shanghai 200233)

It is discussed that servo motor of the humanoid robot needs human gait characteristics in this paper. Through different persons walking and running, the test bench is designed and the data of human gait characteristics is obtained from test equipment. Through analysis, movement characteristics can be concluded to direct choosing the servo motor and providing the reference and direction for the gait research of robot.

servo motor; gait; joint; characteristic

2016-07-28

盛奮華(1978-)，女，碩士，講師，主要從事電子電路研究。

TM383.4

A

1004-7018(2016)12-0040-04