基于体育辅助运动双足跑步器的研究与分析＊

苟小平 ,张万军 ,张 峰 ,张景轩 ,张景怡 ,张景妍

（1.陇东学院，甘肃庆阳 745000；2.甘肃泽德电子技术有限公司，甘肃天水 741003；3.兰州工业化设备有限公司，甘肃 兰州 730050；4.兰州大学，甘肃 兰州 730050）

1 问题的提出

目前，体育运动跑步一般需要体育爱好者和运动员自身跑步[1-2]，这样浪费大多数体育爱好者和运动员的体力、消耗了人力能量，达不到体育锻炼的目的，没有借鉴辅助体育跑步器进行体育跑步[3-8]，因此，本文设计了一种体育辅助运动双足跑步器，对体育辅助运动双足跑步器的结构进行设计，采用无刷电机的PID 控制[9-10]、神经网络、粒子群蚁算法、交叉耦合控制[11-12]、自适应控制[13]等。甘肃泽德电子技术有限公司的教授级高工、高级经济师、博士张万军等人研究了一些模型辨识控制系统及交叉耦合控制[14-22]体育锻炼辅助机器人，但本文仅对体育辅助运动双足跑步器结构及使用性能进行分析，希望在体育产品设计进行大力的技术推广，更好的服务广大人民群众。

本文设计了一种体育辅助运动双足跑步器，进行了常规步态轨迹、测量步态轨迹、实际控制步态轨迹性能测试实验，实验表明：体育辅助运动双足跑步器方面使用明显优于其他的人体跑步。实验在陇东学院体育学院实验取得良好的效果；同时，在其他的地方体育的教学和训练具有较强的借鉴意义。

2 体育辅助运动双足跑步器的结构设计

一种体育辅助运动双足跑步器的结构设计简图，如图1 所示。从图1 中可以看出，一种体育辅助运动双足跑步器包括：（1）双足跑步器脚踏板；（2）放置腿脚器；（3）链传动器；（4）弹簧连接驱动器；（5）驱动器；（6）双足跑步器的驱动电机。双足跑步器脚踏板1 和放置腿脚器2 使用可拆卸式连接方式，双足跑步器的驱动电机6 通过螺栓固定连接在双足跑步器脚踏板1 上部。

图1 体育辅助运动双足跑步器的结构设计简图

图2 体育辅助运动双足跑步器动作分解图

体育辅助运动双足跑步器完成跑步过程：脚放置腿脚器2 踏地，此时双足跑步器的驱动电机6 驱动器5 缩短，产生拉动体育辅助运动双足跑步器的力，该拉力大于下弹簧连接驱动器4 产生的力，从而围绕链传动器3 对双足跑步器脚踏板1 形成缓冲力矩，降低落地的颤抖；在拉升过程，双足跑步器的驱动电机6 不驱动驱动器5，体育辅助运动双足跑步器在动态平衡状态，不产生力，拉下弹簧连接驱动器4 产生拉力，提供弹跳驱动力矩，有利于体育辅助运动双足跑步器速度的提升。

3 仿真结果与实验分析

3.1 步态轨迹性能测试分析

常规步态轨迹、测量步态轨迹、实际控制步态轨迹进行步态轨迹性能测试分析，如图3～4 所示。

图3 步态轨迹性能测试分析1

图4 步态轨迹性能测试分析2

常规步态轨迹、测量步态轨迹、实际控制步态轨迹进行分析，常规步态轨迹、测量步态轨迹相一致达到测试目的，满足体育辅助运动双足跑步器设计要求；同时，实际控制步态轨迹明显优越于常规步态轨迹、测量步态轨迹：从而表明体育辅助运动双足跑步器的稳定性较好和舒适性强。

3.2 实际测试实验

实验在陇东学院体育由甘肃省创业大赛名师苟小平副教授进行实验，实验数据的分析由甘肃省泽德电子技术有限公司的教授级高级工程师、高级经济师、博士张万军进行对照实验，说明对照组实验有非常显著性差异。实验在陇东学院体育学院实验取得良好的效果；同时，在其他的地方体育的教学和训练具有较强的借鉴意义。

4 结论

1）本文设计了一种体育辅助运动双足跑步器，进行了常规步态轨迹、测量步态轨迹、实际控制步态轨迹性能测试实验，实验表明：体育辅助运动双足跑步器方面使用明显优于其他的人体跑步。

2）实验在陇东学院体育学院实验取得良好的效果；同时，在其他的地方体育的教学和训练具有较强的借鉴意义。