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

何洪軍，劉福強(qiáng)，馬傳寶，袁德宇，張東寧

(中國(guó)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(yàn)研究

何洪軍，劉福強(qiáng)，馬傳寶，袁德宇，張東寧

(中國(guó)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(dòng)時(shí)所需步態(tài)的特征，對(duì)不同人的走和跑等步態(tài)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試儀器獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。通過(guò)分析得到了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)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(shí)代的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。國(guó)家為了鼓勵(lì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展頒布了《中國(guó)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(shì)，很多工廠(chǎng)的重復(fù)性勞動(dòng)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(dòng)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(wèn)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(mǎn)足高轉(zhuǎn)矩、低脈動(dòng)的特點(diǎn)，因此在其設(shè)計(jì)、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(guó)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(mǎn)足相應(yīng)關(guān)節(jié)電機(jī)的要求。在步態(tài)研究方面，國(guó)內(nèi)外已有很多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了步態(tài)方面的探索，哈爾濱工程大學(xué)針對(duì)仿人機(jī)器人開(kāi)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(duì)不同人的步態(tài)特征給出了相應(yīng)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)[5]；美國(guó)加州理工大學(xué)，針對(duì)仿人機(jī)器人做了行走步態(tài)實(shí)驗(yàn)，得到了行走步態(tài)的運(yùn)動(dòng)特征[6-7]。但是，上述研究都沒(méi)有完整地開(kāi)展過(guò)仿人機(jī)器人步態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的研究，沒(méi)有給出仿人機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)模式下的步態(tài)特征，因而針對(duì)仿人機(jī)器人步態(tài)通用化的設(shè)計(jì)急需對(duì)不同步態(tài)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，為仿人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類(lèi)人化提供技術(shù)基礎(chǔ)。因此，本文針對(duì)仿人機(jī)器人用伺服電機(jī)所需步態(tài)特征，通過(guò)對(duì)不同人的走和跑等步態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)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(yàn)原理

本文針對(duì)不同的人進(jìn)行了走、跑和蹲的步態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(yàn)儀器設(shè)備如圖1、圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(cè)和測(cè)量加速度、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度、功率、位移、沖擊和震動(dòng)的多自由度運(yùn)動(dòng)傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用了7個(gè)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(dòng)時(shí)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(guò)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(yàn)過(guò)程中選取3個(gè)不同的人進(jìn)行了行走、跑步和上下臺(tái)階的步態(tài)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，提取了多個(gè)周期在一個(gè)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(yàn)過(guò)程

路面行走步態(tài)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)3個(gè)不同體重和身高的人進(jìn)行步態(tài)實(shí)驗(yàn)，選取采集數(shù)據(jù)的20個(gè)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(yàn)結(jié)果如下。

2.1 行走時(shí)步態(tài)特征

3個(gè)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(cè)試，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到行走時(shí)三人共有的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)步態(tài)特征曲線(xiàn)如圖3～圖8所示。

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

通過(guò)3個(gè)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(shí)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(guò)對(duì)行走步態(tài)的測(cè)試，可以根據(jù)髖關(guān)節(jié)隨時(shí)間變化的角度曲線(xiàn)，進(jìn)行髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)步態(tài)運(yùn)動(dòng)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(dòng)作。從上圖可以看出，膝關(guān)節(jié)前后伸展的運(yùn)動(dòng)幅度比髖關(guān)節(jié)大，因而膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)有極大的運(yùn)動(dòng)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(dòng)步態(tài)的3個(gè)數(shù)據(jù)特征，對(duì)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(dòng)作。

2.2 跑步時(shí)步態(tài)特征

3個(gè)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(cè)試，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行相關(guān)分析得到跑步時(shí)三人共有的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)步態(tài)特征曲線(xiàn)如圖9～圖14所示。

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

(a) 連續(xù)分布曲線(xiàn)

(b) 疊加分布曲線(xiàn)

圖13 跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)前后伸展角速度特征曲線(xiàn)

圖14 跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)前后伸展角加速度特征曲線(xiàn)

通過(guò)3個(gè)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(shí)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(guò)對(duì)跑步態(tài)的測(cè)試，可以根據(jù)髖關(guān)節(jié)隨時(shí)間變化的角度曲線(xiàn)，進(jìn)行髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)步態(tài)運(yùn)動(dòng)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(dòng)作。從上圖可以看出膝關(guān)節(jié)前后伸展的運(yùn)動(dòng)幅度比髖關(guān)節(jié)大，因而膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)有極大的運(yùn)動(dòng)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(dòng)步態(tài)的3個(gè)數(shù)據(jù)特征，對(duì)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(dòng)作。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)仿人機(jī)器人用伺服電機(jī)所需步態(tài)的特征，通過(guò)對(duì)不同的走和跑等步態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(dòng)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(dòng)提供了對(duì)照特征，為進(jìn)一步研究仿人機(jī)器人的步態(tài)運(yùn)動(dòng)提供了參考。

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