基于關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃對行人步態(tài)的仿真

郭克友，覃佳通+，李 雪，張 沫

(1.北京工商大學(xué) 人工智能學(xué)院，北京 100048； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 汽車運(yùn)輸研究中心，北京 100088)

0 引 言

我國車輛制造領(lǐng)域的安全法規(guī)定：涉及到人車交互的試驗(yàn)，不得以真人作為試驗(yàn)對象直接參與未獲上路許可的車輛測試，所以研發(fā)專用于車輛測試的假人裝置很有必要，但目前，我國還沒有一家專門機(jī)構(gòu)或廠商為正處于研發(fā)期的無人駕駛等智能車輛行業(yè)提供行人檢測裝置，現(xiàn)階段該裝置主要依賴進(jìn)口，以奧地利的4 Active Systems公司生產(chǎn)的一系列假人裝置[1]為主，費(fèi)用十分昂貴。為此對該假人裝置(以下簡稱“仿行人步態(tài)裝置”)展開國產(chǎn)研發(fā)十分必要，針對此情況，本文提出一套完整的仿行人步態(tài)裝置研發(fā)流程，如圖1所示，完整的仿行人步態(tài)裝置研發(fā)流程包括以下內(nèi)容：

首先，獲取地區(qū)一定人口的平均人體尺寸、行走運(yùn)動等數(shù)據(jù)，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)、裝置外觀等設(shè)計方案，利用計算機(jī)輔助制造技術(shù)進(jìn)行三維建模；其次，利用CAD的建模結(jié)構(gòu)參數(shù)得出D-H數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，在MATLAB中完成運(yùn)動仿真，得出關(guān)節(jié)運(yùn)動數(shù)據(jù)；最后，根據(jù)步態(tài)分析的方法進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，然后將仿真得到的關(guān)節(jié)運(yùn)動數(shù)據(jù)用于電機(jī)的控制，最終模擬出人類行走姿態(tài)。

圖1 仿行人步態(tài)裝置的完整研發(fā)流程

其中運(yùn)動仿真環(huán)節(jié)是本文研究重點(diǎn)，對行人步態(tài)的仿真研究可通過關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃的方法實(shí)現(xiàn)。對行人步態(tài)進(jìn)行分析后，在MATLAB中按照真人數(shù)據(jù)建立模型，再結(jié)合D-H參數(shù)法[2]與機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的知識，利用關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃的方法完成運(yùn)動仿真，從而模擬行人步態(tài)[3]，最后得出人類在行走時的肢體末端軌跡和關(guān)節(jié)角度等步態(tài)指標(biāo)的變化曲線。

1 步態(tài)分析與周期劃分

1.1 步態(tài)分析

步態(tài)分析[4]對于仿行人步態(tài)裝置的研究十分必要，它不僅作為仿真研究的理論依據(jù)，更是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。步態(tài)分析包括二維、三維分析，它是一種運(yùn)用人的步幅、末端軌跡、關(guān)節(jié)角度等指標(biāo)的變化來對行走過程系統(tǒng)分析的方法。本研究采取的是二維步態(tài)分析法，即從一個特定平面(矢狀面)對人的行走周期中不同階段的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)的角度變化信息進(jìn)行研究[5]。為便于研究，該文僅對人類右側(cè)肢的步態(tài)進(jìn)行分析，左側(cè)肢同理，兩者運(yùn)動情況相反。

1.2 周期劃分

步態(tài)分析的基本單元是一個行走周期，它從一側(cè)肢的足跟著地開始到同側(cè)肢的足跟再次著地結(jié)束，一共邁出兩步。美國加利福尼亞州步態(tài)分析室的RLA步態(tài)分析法[6]被廣泛使用，其步態(tài)分析圖譜被默認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的人類行走周期圖譜，它的分析方法是根據(jù)人體行走姿態(tài)的特征，從起始位置開始，記錄步態(tài)經(jīng)過8個變化的過程，如圖2所示。

圖2 RLA標(biāo)準(zhǔn)人類行走周期圖譜

根據(jù)人類在行走過程中人腿與地面的相互作用力，可粗略劃分兩個階段：支撐期和擺動期。就右腿而言，支撐期人腿與地面接觸，對地面有力的作用，而擺動期人腿脫離地面向前擺動，對地面沒有力的作用。一個步態(tài)周期的具體劃分見表1。

表1 一個步態(tài)周期的具體劃分

人類臂部在一個步態(tài)周期內(nèi)的運(yùn)動僅有一種擺動形式，故相對腿部的運(yùn)動較為簡單，人體臂部姿態(tài)的劃分與腿部同步。

2 建立模型

2.1 CAD建模

根據(jù)引言部分提出的完整的仿行人步態(tài)裝置的研發(fā)流程，第一步的主要內(nèi)容是完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文研究所涉及的仿行人步態(tài)裝置是一種專門為模仿人類行走而設(shè)計的簡化模型，它的研發(fā)目標(biāo)是制造一款能夠在二維平面內(nèi)模擬行人步態(tài)的裝置，其關(guān)節(jié)個數(shù)并不一定要與人類的關(guān)節(jié)個數(shù)相一致。本文研究的仿行人步態(tài)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)來源于一名中國12歲的真人女童，其身高為120 cm，肩寬35 cm，上肢長40 cm，下肢的大腿長38 cm，小腿長30 cm。根據(jù)采集得來的真人數(shù)據(jù)尺寸，由CAD建模完成的簡易模型，其包含有6個關(guān)節(jié)，即肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)各兩個，如圖3所示。

圖3 仿行人步態(tài)裝置簡易模型

2.2 D-H數(shù)學(xué)模型

利用D-H參數(shù)法建立數(shù)學(xué)模型的一大優(yōu)勢是可將系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分視為常量，其它部分視為變量，通過控制變量的大小，完成關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃。

例如，在一個機(jī)器人系統(tǒng)中可將連桿長度及連桿轉(zhuǎn)角視為定值，而在較多情況下，可將關(guān)節(jié)角以及連桿偏距[7]，視為可變值。在行人步態(tài)的仿真研究中，以人體任意相鄰的兩關(guān)節(jié)為例，將人體包含兩個關(guān)節(jié)的肢體部分作為一個D-H數(shù)學(xué)模型單元，簡化成關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 人體相鄰兩關(guān)節(jié)D-H數(shù)學(xué)模型

由D-H數(shù)學(xué)模型建立起人體兩個相鄰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系i和i-1， 兩者間的關(guān)系可由平移、旋轉(zhuǎn)得到，其中c、s表示cos、 sin， 具體表達(dá)式如下

(1)

2.3 人機(jī)關(guān)節(jié)映射

下肢以人的右腿為例，它主要由大腿、小腿組成，可以活動的關(guān)節(jié)有髖關(guān)節(jié)(含俯仰、偏擺、旋轉(zhuǎn)3個自由度)、膝關(guān)節(jié)(僅1個俯仰自由度)。表2為人類右側(cè)肢的D-H參數(shù)。

表2 人類右腿D-H參數(shù)

表中的L1、L2分別代表人大腿、小腿的長度。

上肢以人的右臂為例，它的運(yùn)動對于人類行走是次要的。人的上肢關(guān)節(jié)包含肩關(guān)節(jié)(3個自由度)、肘關(guān)節(jié)(1個自由度)。在本研究中，控制上肢運(yùn)動最重要的關(guān)節(jié)只有肩關(guān)節(jié)，在規(guī)定臂長之后，便可將模型進(jìn)行簡化處理，不考慮肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，僅保留肩關(guān)節(jié)最重要的俯仰運(yùn)動，其D-H參數(shù)見表2最后一項(xiàng)。

該文僅對人體四肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及肩關(guān)節(jié)進(jìn)行研究，且作為實(shí)驗(yàn)對象的仿行人步態(tài)裝置運(yùn)動僅限于二維平面，所以將人體關(guān)節(jié)映射到機(jī)器的時候，舍去了髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)、偏擺關(guān)節(jié)，只保留控制人體行進(jìn)方向的俯仰關(guān)節(jié)，只考慮二維平面的運(yùn)動。通過人機(jī)關(guān)節(jié)映射，限制關(guān)節(jié)活動角度，其中髖關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動范圍為-45～45°，膝關(guān)節(jié)為0～130°，肩關(guān)節(jié)為-45～95°，最終得出行人步態(tài)仿真模型的右側(cè)肢的D-H參數(shù)，如表3所示。其中X1為臂長。

表3 仿行人步態(tài)模型的右側(cè)肢D-H參數(shù)

通過人機(jī)關(guān)節(jié)映射得到的仿行人步態(tài)模型的右側(cè)肢D-H參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，以機(jī)架為參考系，分別建立髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及肩關(guān)節(jié)的D-H坐標(biāo)系如圖5所示。

圖5 仿行人步態(tài)模型右側(cè)肢的D-H坐標(biāo)系

2.4 運(yùn)動學(xué)分析

2.4.1 正運(yùn)動學(xué)與關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃

正運(yùn)動學(xué)[8]的知識可以用來解決機(jī)器人在現(xiàn)場的姿態(tài)調(diào)整，矯正執(zhí)行末端所能抵達(dá)的空間位置。通過前述的D-H數(shù)學(xué)模型的內(nèi)容得知，每個關(guān)節(jié)和相鄰的關(guān)節(jié)的運(yùn)動關(guān)系都能可以經(jīng)過矩陣變化得到，正運(yùn)動學(xué)的研究對象通常為含關(guān)節(jié)連桿的剛體機(jī)構(gòu)，其問題求解類型是已知關(guān)節(jié)角度求位置。

下列為人腿所有關(guān)節(jié)的變換矩陣，只要測算出每個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，依次代入式中，再將它們連乘即得腿部末端位姿，這就是關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃的基本思想。

根據(jù)復(fù)合變換矩陣式，把表1的數(shù)據(jù)帶入其中，可以得到人腿的各個關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系為

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

所以，正運(yùn)動學(xué)的求解方式具有唯一性。對于仿行人步態(tài)模型的腿部、臂部，如果獲悉相應(yīng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的值，便可唯一確定其末端位姿。

2.4.2 逆運(yùn)動學(xué)求解關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

(7)

式(7)中的所有矩陣元素(即r11～r33的元素)均已知。機(jī)器人在實(shí)際工作環(huán)境中會受到各種約束，例如，面對操作空間內(nèi)存在不可清除的障礙物或者其關(guān)節(jié)本身可運(yùn)動范圍有限等情況時，這就需要從當(dāng)前解中找出最優(yōu)解，逆運(yùn)動學(xué)具體求解步驟：

首先對末端位姿矩陣T4逐次左乘關(guān)節(jié)變換逆矩陣，然后得到每個關(guān)節(jié)的位姿矩陣，接著通過等式關(guān)系，最終得出每個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。下面為逆運(yùn)動學(xué)求解的運(yùn)算過程

(8)

(9)

(10)

2.5 MATLAB建模

通過MATLAB建立出對應(yīng)的仿真模型，然后利用關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃的方法，即規(guī)劃關(guān)節(jié)所能運(yùn)動到的位置，可實(shí)現(xiàn)對行人姿態(tài)的模擬。

為方便研究，以下仿真實(shí)驗(yàn)僅針對單側(cè)肢進(jìn)行說明。該實(shí)驗(yàn)通過采集真人數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源。在本研究中，以身高為120 cm的中國兒童為原型，提取其具體的身體尺寸，步幅大小，單步時長等數(shù)據(jù)，經(jīng)過人機(jī)關(guān)節(jié)映射，得到包含各個關(guān)節(jié)D-H坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定仿真模型的基本參數(shù)與原型一致，如表4所示。

表4 兒童步態(tài)指標(biāo)與仿真模型數(shù)據(jù)

根據(jù)人體尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)定仿真腿的基本參數(shù)，其大腿長為38 cm，小腿長為30 cm，然后限定其單步步長(即步幅)為57 cm，單步運(yùn)動時間為0.45 s。通過上述建模理論和運(yùn)動學(xué)分析的方法，得知基于關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃對行人步態(tài)的仿真研究其實(shí)是一個已知末端位置求關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的問題，求解手段將要運(yùn)用到逆運(yùn)動學(xué)分析的知識。

因?yàn)槿祟惐鄄吭谛凶哌^程中僅有擺動這一種運(yùn)動形式，故臂部模型相對腿部可以大幅簡化，將臂部設(shè)計為只有肩關(guān)節(jié)的仿真臂，其長度為40 cm，與兒童屈肘時的長度一致。根據(jù)表4中的兒童數(shù)據(jù)，在MATLAB中利用Robotic Toolbox工具箱，設(shè)計程序，建立的仿真臂模型如圖6(a)所示。

由人機(jī)關(guān)節(jié)映射，經(jīng)過簡化的腿部關(guān)節(jié)只有兩個，由MATLAB建立的仿真右腿模型如圖6(b)所示。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膮?shù)設(shè)定正確與否，可以利用顯示函數(shù)robot.display()，在命令行窗口中查看腿部模型的D-H參數(shù)是否與兒童腿部尺寸數(shù)據(jù)一致。其中，絕對坐標(biāo)系以人直立時腿部與地面的接觸點(diǎn)為原點(diǎn)O。

圖6 行人步態(tài)仿真模型的肢體

3 步態(tài)仿真

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計

仿真實(shí)驗(yàn)是仿行人步態(tài)裝置運(yùn)動控制理論必不可少的一個環(huán)節(jié)，它不僅能夠檢驗(yàn)設(shè)計方案是否合理、驗(yàn)證建模理論的正確性，而且還能夠獲取一些關(guān)鍵步態(tài)指標(biāo)大幅降低研究成本。在行走過程中，人類的腿部相對于臂部作用更為重要，所以在模擬人類行走的仿真過程中，應(yīng)將腿部作為重點(diǎn)，然后從以下兩方面進(jìn)行分析：

(1)通過觀察對比仿真模型和RLA標(biāo)準(zhǔn)人類在一個步態(tài)周期內(nèi)的姿態(tài)變化，可驗(yàn)證建模理論的合理性；

(2)獲取仿真模型的關(guān)鍵指標(biāo)(例如末端軌跡、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角等)，可用于仿行人步態(tài)裝置的電機(jī)控制方案。

仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計要點(diǎn)如下：

(1)明確分析對象，模擬行走過程，然后將一個周期內(nèi)的行走姿態(tài)對比標(biāo)準(zhǔn)人類步態(tài)周期圖譜。

選取單側(cè)肢作為分析對象。本實(shí)驗(yàn)選用的是右腿模型，其參數(shù)設(shè)定來源于真人兒童的體形與運(yùn)動數(shù)據(jù)，選用單側(cè)肢作為步態(tài)研究對象的優(yōu)勢是思路清晰，說明具體。

(2)通過模擬和記錄8個步態(tài)變化，形成一個步態(tài)周期，得出仿真模型的關(guān)鍵步態(tài)指標(biāo)，然后對比表4的真人兒童步態(tài)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)合理性。

(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，檢驗(yàn)合理性。

3.2 運(yùn)動姿態(tài)對比實(shí)驗(yàn)

觀察人類行走周期(圖2)，發(fā)現(xiàn)人的行走過程右腿向前邁的時候，右臂向后擺，所以可以直觀地將仿真模型在一個周期內(nèi)與人類的行走姿態(tài)進(jìn)行對比分析，從而驗(yàn)證其合理性。

對比實(shí)驗(yàn)如下：

(1)仿真模型邁出第一步(步態(tài)1至步態(tài)4)，時間從0 s至0.45 s，與兒童單步時間一致，經(jīng)過以下4個變化：右足首次著地→預(yù)承重期→支撐中期→支撐末期(具體定義見表1)。

(2)仿真模型邁出第二步(步態(tài)4至步態(tài)8)，時間從0.45 s至0.9 s，與真人兒童邁出第二步所花時長一致。步態(tài)4至步態(tài)8經(jīng)過以下變化：支撐末期→擺動前期→擺動初期→擺動中期→擺動末期(此時右足跟即將再次著地)。

如圖7所示，在MATLAB中記錄仿真模型從步態(tài)1至步態(tài)8的變化過程，其中圖形的上方為RLA標(biāo)準(zhǔn)人類行走周期圖譜，如圖7將人類的肩關(guān)節(jié)以實(shí)心圓圈示意，手臂是肩關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)的連線；大腿是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的連線，以實(shí)線示意；小腿是膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的連線，以虛線示意。圖形的中間為仿真右臂模型，圖形的下方為仿真右腿模型。通過觀察仿真模型模擬行人一個步態(tài)周期的變化過程，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動基本吻合人類的右側(cè)肢行走姿態(tài)。

圖7 仿真模型和RLA標(biāo)準(zhǔn)人類右側(cè)肢 行走周期的對比過程

3.3 一個步態(tài)周期的關(guān)鍵數(shù)據(jù)

3.3.1 仿真臂的關(guān)鍵運(yùn)動數(shù)據(jù)

人類臂部的運(yùn)動較為簡單，其在行走過程中起輔助作用，人類借助臂部的擺動，配合雙腿運(yùn)動，協(xié)調(diào)身體平衡，使得行走更加流暢。仿行人步態(tài)裝置依照人體真實(shí)數(shù)據(jù)建立的仿真臂是簡化的人體上肢模型，僅包含一個關(guān)節(jié)，即肩關(guān)節(jié)。仿真臂在人類一個行走周期中的主要數(shù)據(jù)變化如下：

(1)肩關(guān)節(jié)角度變化。仿真臂模仿人類一個行走周期的肩關(guān)節(jié)角度變化曲線，如圖8(a)所示。

(2)臂部位置變化。仿真臂模仿人類一個行走周期的末端軌跡，如圖8(b)所示。

3.3.2 仿真腿的關(guān)鍵步態(tài)指標(biāo)

人類腿部的運(yùn)動與臂部相比較為復(fù)雜，其在行走過程中占據(jù)主導(dǎo)作用，所以仿行人步態(tài)的運(yùn)動控制理論，針對腿部的研究更具價值。

研究仿真腿在一個行走周期中的步態(tài)變化，應(yīng)考慮以下幾個關(guān)鍵指標(biāo)：關(guān)節(jié)角度變化、位置變化、步頻、步幅等[10]。

(1)腿部關(guān)節(jié)角度變化。

仿真模型的腿部關(guān)節(jié)包含有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，其角度變化涉及到髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角度變化，這不僅是仿真實(shí)驗(yàn)的核心數(shù)據(jù)，更是下一步控制仿行人步態(tài)裝置的電機(jī)運(yùn)動的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

仿真右腿在一個步態(tài)周期內(nèi)的腿部關(guān)節(jié)角度變化如圖9(a)所示，RLA步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)室所得出的真人腿部關(guān)節(jié)角度變化如圖9(b)所示，將兩者進(jìn)行對比分析，得知仿真右腿的關(guān)節(jié)角度變化與真人腿部的關(guān)節(jié)角度變化一致，說明仿真腿模型關(guān)節(jié)角度輸出正確。

圖8 仿真臂的關(guān)鍵運(yùn)動數(shù)據(jù)

圖9 仿真腿的關(guān)鍵運(yùn)動數(shù)據(jù)

(2)位置變化。

腿部的位置變化(即仿真腿的運(yùn)動軌跡規(guī)劃)，可以選用腿部末端的運(yùn)動軌跡的x和y坐標(biāo)的變化值來進(jìn)行描述。仿真腿模擬人類一個步態(tài)周期的腿部末端軌跡的數(shù)據(jù)變化，如圖10所示。

圖10 仿真腿末端軌跡

(3)步頻，可用單步時長描述。

步頻指的是腳步的頻率，通常用步/秒表示。在研究中，可用單步時長t對步頻進(jìn)行等效描述，單位為秒/步，單步時長=步態(tài)周期/步數(shù)，即t=T/N。通過前文所述可知仿真模型的一個步態(tài)周期為0.9 s，一共邁出2步，由此計算仿真腿的單步時長t=0.9/2=0.45 s。對比表4的兒童單步時長數(shù)據(jù)，得知仿真右腿模型的步頻與真人一致，所以仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定正確。

(4)步幅，可用單步步長S衡量。

取單步始末位置足跟處的x坐標(biāo)的絕對值，相加得單步步長S=|xmin|+|xmax|。 由圖11的數(shù)據(jù)可知，在0 s時，x坐標(biāo)的值為37，在0.45 s時x坐標(biāo)的值為-20，由此計算仿真腿的單步步長，得S=|-20|+|37|=57 cm。 再次與表4對比，發(fā)現(xiàn)仿真腿的步幅與真人兒童數(shù)據(jù)吻合，說明參數(shù)設(shè)定正確。

3.4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過運(yùn)動姿態(tài)的對比實(shí)驗(yàn)，將仿真模型在一個周期內(nèi)的運(yùn)動姿態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)人類行走周期圖譜的進(jìn)行對比，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)仿真模型在一個步態(tài)周期內(nèi)，由步態(tài)1至步態(tài)8的姿態(tài)變化與標(biāo)準(zhǔn)的人類行走周期圖譜大致吻合，說明仿真模型能夠很好模擬出行人步態(tài)，同時也驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，仿真模型具備加工可行性。

通過仿真實(shí)驗(yàn)獲取了仿真模型在一個步態(tài)周期內(nèi)的末端軌跡、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的變化。仿真模型的末端軌跡變化可作為仿行人步態(tài)裝置關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃的重要數(shù)據(jù)來源，通過正逆運(yùn)動學(xué)的知識，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的精準(zhǔn)控制。將仿真模型在一個步態(tài)周期內(nèi)的腿部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化與標(biāo)準(zhǔn)人體腿部關(guān)節(jié)角度變化進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，可知仿真模型的運(yùn)動符合人類行走規(guī)律，同時對比表4的角度變化范圍，發(fā)現(xiàn)仿真模型的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角沒有超出限制范圍，其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的變化可經(jīng)過轉(zhuǎn)化成為后續(xù)的仿行人步態(tài)裝置的關(guān)節(jié)電機(jī)控制的數(shù)據(jù)來源，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具備實(shí)用性。

4 結(jié)束語

本文通過調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)、了解國內(nèi)智能車輛行業(yè)的研究現(xiàn)狀，闡明了開展國產(chǎn)仿行人步態(tài)裝置研發(fā)的必要性，通過結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，提出一套完整的仿行人步態(tài)裝置的研發(fā)流程，在促進(jìn)仿行人步態(tài)裝置的國產(chǎn)研發(fā)以及提高智能車輛的安全性等方面具有重要意義。

本研究是基于關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃的方法對行人步態(tài)做出仿真，即利用人機(jī)關(guān)節(jié)映射、D-H參數(shù)法、坐標(biāo)變換、矩陣變換等手段，運(yùn)用到正逆運(yùn)動學(xué)的知識，通過MATLAB解決了已知末端位置求關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的工程問題，從而完成了建模到仿真的過程，得出仿真模型在一個步態(tài)周期內(nèi)的腿部關(guān)節(jié)角度變化。通過對比分析，得知仿真模型的運(yùn)動與人類行走姿態(tài)具有很高的擬合度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了正逆運(yùn)動學(xué)理論驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)理論到實(shí)踐的過程，同時給出了仿真模型運(yùn)動過程中關(guān)鍵步態(tài)指標(biāo)的具體定義方式，如步幅、步頻、位置變化、關(guān)節(jié)角度等概念，至此得出仿行人步態(tài)裝置研發(fā)流程中仿真環(huán)節(jié)的具體實(shí)現(xiàn)方法。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果將直接運(yùn)用到下一步仿行人步態(tài)裝置的具體研究和開發(fā)中，將仿真實(shí)驗(yàn)得到的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化轉(zhuǎn)換為控制電機(jī)運(yùn)行的核心數(shù)據(jù)，通過電機(jī)驅(qū)動讓仿行人步態(tài)裝置模擬出行人步態(tài)，從而將研究成果轉(zhuǎn)化成實(shí)際應(yīng)用。