基于仿人機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)步態(tài)實(shí)驗研究

何洪軍，劉福強(qiáng)，馬傳寶，袁德宇，張東寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

基于仿人機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)步態(tài)實(shí)驗研究

何洪軍，劉福強(qiáng)，馬傳寶，袁德宇，張東寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

討論了仿人機(jī)器人采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動時所需步態(tài)的特征，對不同人的走和跑等步態(tài)設(shè)計了相應(yīng)的實(shí)驗，通過測試儀器獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。通過分析得到了相應(yīng)的運(yùn)動特征，為仿人機(jī)器人的伺服電機(jī)選型提供了指導(dǎo)，為仿人機(jī)器人的步態(tài)研究提供了指導(dǎo)和參考。

伺服電機(jī)；步態(tài)；關(guān)節(jié)； 特征

0 引 言

隨著信息化時代的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛。國家為了鼓勵機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展頒布了《中國制造2025》研究規(guī)劃，大力扶持機(jī)器人的智能化、信息化發(fā)展。機(jī)器代替人是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，很多工廠的重復(fù)性勞動都已被工業(yè)機(jī)器人所取代，提高了生產(chǎn)效率降低了勞動成本[1-2]。而仿生機(jī)器人，特別是仿人機(jī)器人方面的產(chǎn)品問世很少，原因在于仿人機(jī)器人的步態(tài)分析復(fù)雜，很難提供一種通用的步態(tài)方式符合所有人的行走步態(tài)特征。此外，仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)用電機(jī)都是特征扁平的微型電機(jī)，需滿足高轉(zhuǎn)矩、低脈動的特點(diǎn)，因此在其設(shè)計、加工和制造都是技術(shù)難點(diǎn)[3]。關(guān)節(jié)用伺服電機(jī)中國電子科技集團(tuán)公司第二十一所有自主研發(fā)能力，可以滿足相應(yīng)關(guān)節(jié)電機(jī)的要求。在步態(tài)研究方面，國內(nèi)外已有很多科研機(jī)構(gòu)開展了步態(tài)方面的探索，哈爾濱工程大學(xué)針對仿人機(jī)器人開展了步態(tài)的理論推導(dǎo)和分析，在理論上得到了人體行走的步態(tài)行為數(shù)學(xué)模型描述[4]；以色列Rewalks機(jī)器人公司，針對不同人的步態(tài)特征給出了相應(yīng)的步態(tài)運(yùn)動曲線[5]；美國加州理工大學(xué)，針對仿人機(jī)器人做了行走步態(tài)實(shí)驗，得到了行走步態(tài)的運(yùn)動特征[6-7]。但是，上述研究都沒有完整地開展過仿人機(jī)器人步態(tài)測試實(shí)驗的研究，沒有給出仿人機(jī)器人在不同運(yùn)動模式下的步態(tài)特征，因而針對仿人機(jī)器人步態(tài)通用化的設(shè)計急需對不同步態(tài)開展實(shí)驗研究，為仿人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類人化提供技術(shù)基礎(chǔ)。因此，本文針對仿人機(jī)器人用伺服電機(jī)所需步態(tài)特征，通過對不同人的走和跑等步態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗，得到了相應(yīng)的運(yùn)動特征[8]，為仿人機(jī)器人的步態(tài)研究提供了指導(dǎo)和參考。

1 實(shí)驗原理

本文針對不同的人進(jìn)行了走、跑和蹲的步態(tài)實(shí)驗，實(shí)驗中所用儀器有慣性傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和同步數(shù)據(jù)合成儀。具體實(shí)驗儀器設(shè)備如圖1、圖2所示。

圖1 實(shí)驗所用數(shù)據(jù)采集卡和同步數(shù)據(jù)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(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度、功率、位移、沖擊和震動的多自由度運(yùn)動傳感器。本實(shí)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(dāng)人體運(yùn)動時各布置的慣性傳感器將采集所在部位的數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)采集卡及同步數(shù)據(jù)合成儀，給出膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度、角加速度和功率等數(shù)據(jù)值。

實(shí)驗過程中選取3個不同的人進(jìn)行了行走、跑步和上下臺階的步態(tài)實(shí)驗，并對相應(yīng)的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，提取了多個周期在一個步態(tài)下的合成圖，為進(jìn)一步得到通用步態(tài)特征數(shù)據(jù)提供參考。

2 實(shí)驗過程

路面行走步態(tài)實(shí)驗，通過3個不同體重和身高的人進(jìn)行步態(tài)實(shí)驗，選取采集數(shù)據(jù)的20個周期得到相應(yīng)各關(guān)節(jié)的角度、加速度、角加速度圖。實(shí)驗結(jié)果如下。

2.1 行走時步態(tài)特征

3個不同體態(tài)的人分別以速度0.8 m/s和1 m/s行走進(jìn)行步態(tài)測試，經(jīng)過實(shí)驗分析得到行走時三人共有的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)步態(tài)特征曲線如圖3～圖8所示。

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

通過3個不同的體態(tài)的人進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)采集及分析，分別得到了三人行走時共有的髖關(guān)節(jié)前后伸展步態(tài)特征、髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋步態(tài)特征、髖關(guān)節(jié)外旋步態(tài)特征、膝關(guān)節(jié)前后伸展角度特征、膝關(guān)節(jié)角速度特征和膝關(guān)節(jié)角加速度特征。

通過對行走步態(tài)的測試，可以根據(jù)髖關(guān)節(jié)隨時間變化的角度曲線，進(jìn)行髖關(guān)節(jié)運(yùn)動步態(tài)運(yùn)動的規(guī)劃，進(jìn)而選擇相應(yīng)的伺服電機(jī)完成相應(yīng)的動作。從上圖可以看出，膝關(guān)節(jié)前后伸展的運(yùn)動幅度比髖關(guān)節(jié)大，因而膝關(guān)節(jié)運(yùn)動時有極大的運(yùn)動角速度和突變的角加速度，可以結(jié)合膝關(guān)節(jié)行走運(yùn)動步態(tài)的3個數(shù)據(jù)特征，對膝關(guān)節(jié)的步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，最后配備相應(yīng)的伺服電機(jī)完成相應(yīng)的動作。

2.2 跑步時步態(tài)特征

3個不同體態(tài)的人分別以3.5 m/s和4.9 m/s的速度跑步進(jìn)行步態(tài)測試，經(jīng)過實(shí)驗并進(jìn)行相關(guān)分析得到跑步時三人共有的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)步態(tài)特征曲線如圖9～圖14所示。

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

(a) 連續(xù)分布曲線

(b) 疊加分布曲線

圖13 跑步時膝關(guān)節(jié)前后伸展角速度特征曲線

圖14 跑步時膝關(guān)節(jié)前后伸展角加速度特征曲線

通過3個不同體態(tài)的人進(jìn)行了多次跑步數(shù)據(jù)采集及分析，分別得到了三人跑步時共有的髖關(guān)節(jié)前后伸展步態(tài)特征、髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋步態(tài)特征、髖關(guān)節(jié)外旋步態(tài)特征、膝關(guān)節(jié)前后伸展角度特征、膝關(guān)節(jié)角速度特征和膝關(guān)節(jié)角加速度特征。

通過對跑步態(tài)的測試，可以根據(jù)髖關(guān)節(jié)隨時間變化的角度曲線，進(jìn)行髖關(guān)節(jié)運(yùn)動步態(tài)運(yùn)動的規(guī)劃，進(jìn)而選擇相應(yīng)的伺服電機(jī)完成相應(yīng)的動作。從上圖可以看出膝關(guān)節(jié)前后伸展的運(yùn)動幅度比髖關(guān)節(jié)大，因而膝關(guān)節(jié)運(yùn)動時有極大的運(yùn)動角速度和突變的角加速度，可以結(jié)合膝關(guān)節(jié)行走運(yùn)動步態(tài)的3個數(shù)據(jù)特征，對膝關(guān)節(jié)的步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，最后配備相應(yīng)的伺服電機(jī)完成相應(yīng)的動作。

3 結(jié) 語

本文針對仿人機(jī)器人用伺服電機(jī)所需步態(tài)的特征，通過對不同的走和跑等步態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗，得到了相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的步態(tài)運(yùn)動特征，為仿人機(jī)器人的步態(tài)行走和穩(wěn)定性研究提供了數(shù)據(jù)參考，為仿人機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)的運(yùn)動提供了對照特征，為進(jìn)一步研究仿人機(jī)器人的步態(tài)運(yùn)動提供了參考。

[1] SCHACHE A G,BLANCH P D,RATH D A,et al.Intra-subject repeatability of the three dimensional angular kinematics within the lumbo-pelvic-hip complex during running[J].Gait and Posture,2002，15(2):136-145.

[2] CHENG C,ALBERT B,JAMES A,et al.Sudden turns and stops while walking:kinematic sources of age and gender difference[J].Gait and Posture,1998,7(1):45-52.

[3] KISS R M,KOCSIS L,KNOLL Z.Joint kinematics and spatial-temporal parameters of gait measured by an ultrasound-based system[J].Medical Engineering & Physics,2004,26(7):611-620.

[4] ZIJISTRA W,HOF A L.Assessment of spatio-temporal gait parameters from trunk accelerations during human walking[J].Gait and Posture,2003,18(2):1-10.

[5] 胡雪艷，郭忠武.正常成人步態(tài)特征研究[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐.2006,12(10):80-85.

[6] MIKI H,SUGANO N,HAGIO K,et al.Recovery of walking speed and symmetrical movement of the pelvis and lower extremity joints after unilateral THA[J].Journal of Biomechanics,2004,37(4):443-455.

[7] PIJNAPPOELS M,BOBBERT M F,Jaap H. Van Dieen.Contribution of the support limb in control of angular momentum after tripping[J].Journal of Biomechanics,2004,37(12):1811-1818.

[8] 范金城，梅長林.數(shù)據(jù)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

作者簡介：何洪軍， 博士研究生，主要從事機(jī)器人整機(jī)設(shè)計、機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計、伺服關(guān)節(jié)驅(qū)動設(shè)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