2025年4月，全球首场人机半程马拉松在北京亦庄举行。20台人形机器人参赛，仅6台完赛，完赛率仅30%。冠军“天工”全程换电三次，散热与续航仍是瓶颈；赛道含14处弯道、5公里坡道、800米起伏路面，实验室稳定的算法在坑洼处“停摆”；部分机器人出现轴承过热、连杆磨损，甚至“头身分离”。

（图片源自网络）

这场赛事暴露出的问题，并非单一硬件故障，而是传统测试体系的系统性缺陷：

• 工况单一化：仅在理想平整地面、恒温、短时测试，马拉松赛道上一处小坑洼就导致算法崩溃；

• 数据片段化：单点力台只能采集几秒步态数据，无法获得连续曲线，马拉松比赛中关节开裂、散热缺陷在实验室从未暴露；

• 评估定性化：缺乏三维力、COP轨迹等量化指标，导致步态对称性、横向稳定性无法定量评估。

简言之，传统测试只能回答机器人“能不能走”，却无法回答“走得怎么样、哪里不好、为什么不好”。

本研究利用h/p/cosmos Gaitway3D三维测力跑台，建立涵盖时空对称性、着地冲击、制动与推进、重心运动的四维步态评估框架，描述机器人连续行走时的动力学特征，识别左右侧差异与周期性异常，为后续控制调参与结构优化提供依据。

测试对象：某品牌具身机器人（175cm，70kg）

测试工况：Gaitway3D三维测力跑台，2.5km/h平地行走

采集内容：58个连续步态周期，165项参数

四维评估框架如下：

Gaitway3D是一款专为步态动力学分析设计的高精度三维测力跑台，核心参数如下：

• 尺寸：150/50cm、170/65cm、190/65cm

• 速度：0-22km/h、0-25km/h、0-40km/h

• 坡度调节：0-20%（15.6°）

• 三维测力最大载荷范围：Fx、Fy、Fz≥10kN，最大过载≥24kN

• 三维测力采集频率：100-10000Hz可调节

• 内置分布式压力传感器测量范围：1-120N/cm²

• 内置分布式压力传感器分布面积：≥135.5×54.1cm

相较于传统测试手段，Gaitway3D的解决方案具有以下优势：

• 长时连续测试：速度0-30km/h，支持多工况连续运行；

• 速度自适应控制：可编程加减速模式（如±0.5m/s²），坡度可调节（≥0%-20%）；

• 三维测力（Fx/Fy/Fz） ：量化步态对称性与横向稳定性；

• 压力分布测量：足底压力、COP轨迹、支撑期分析；

• 防护功能+COP速度自适应调节：保障测试安全。

动态稳定性是评判双足机器人最直观的维度，反映控制算法能否生成稳定、自然的节律。核心指标包括触地时间、双支撑时间、步频、步态周期时长与对称性指数（SI%）。

接触时间与双支撑时间：

*CV 是 Coefficient of Variation（变异系数），CV 越小，说明机器人在每一步中的表现越一致，控制精度越高。

左脚着地后有170ms缓冲，右脚着地后仅109ms，容错空间大幅低于左脚。每走一步，左腿支撑侧多承受约60ms承重转移负荷，长期将导致齿轮箱、轴承、足底力传感器磨损不均匀。长期将导致齿轮箱、轴承、足底力传感器磨损不均匀

步频：

• 均值：119.9±3.1 spm

• 人类参考：95-105 spm

• 核心发现：机器人步频比同速度下人类高约20spm，采用高频小步策略维持速度。

步频几乎不变（119-120 spm），步长从11cm→32cm。与人类慢速时“低频大步”模式不同，较稳定的步频与较大的双支撑时间差异同时存在，表明整体节律稳定并不等同于左右承重过程对称。

为什么步态显得“僵硬”？根本原因在垂直方向的力控生硬。核心指标包括加载率、加载峰值力、蹬地峰值力及L/P比值。

评判标准：

• 柔顺步态：冲击峰应明显小于蹬地峰；

• L/P比值越接近人类标准值（约0.8-1.0），步态越自然；

• 比值>1.0意味着冲击大于蹬伸，即“砸地”。

加载率：

右侧均值约为左侧的4.6倍。两侧变异系数分别为42.5%和108.9%。右侧载荷建立过程不仅更快，而且具有较强的周期间波动，应重点检查异常着地事件及其触发条件。

Loading vs Push-Off力对比：

以机器人自重70kg计算：1.75倍自重，落地冲击极大；0.99倍自重，几乎无主动蹬伸力，只是被动支撑体重。触地冲击是蹬伸力的1.8倍。

但需注意：加载峰值高于蹬地峰值，不能单独证明机器人缺乏主动推进；应结合接触时间、关节屈伸、前后向力及质心加速度，综合评价缓冲和推进机制。

能效是双足机器人商业化的核心瓶颈。核心指标包括推进冲量、制动冲量与净冲量。

净冲量分析（N·s） ：

过大的制动冲量意味着能量被摩擦消耗掉，而非用于前进，直接关联单位距离机械功。

稳定定速行走要求平均前后向动量变化接近零。因此，本次冲量分析的主要价值在于揭示左右分配差异；若要评价续航或能效，还需同步测量电功率、关节机械功及单位距离能耗。

核心发现：右侧着地硬、耗能大、推进弱 → 机器人步态低效。Loading Rate右侧高冲击 → L/P比值高。

COM数据量化机器人的“平滑度”。核心指标包括重心垂直位移、前后位移、侧向位移与重心路径长度。

垂直振幅过低（像滑行）或过高（像跳跃）都不理想

相同步速下，路径越短，说明能量利用效率越高，平衡控制越精准

实测结果：

• 垂直：从起步阶段8-10mm跃升至19-30mm，但始终低于人类30-50mm下限，说明落地缓冲机制不足；

• 前后：三个分量中最低，重心前移过程平顺连续；

• 侧向：侧摆幅度最大，超过垂直方向（比例1.4:1），正常步态中垂直应大于侧向；

• COM Path（橙色线）：从起步约50mm增加到稳定后70-87mm；

• Path/Step Length比值（绿色线）：机器人每前进1cm，COM要走约2.5-3.0mm的“无效路径”（主要是左右侧摆）；人类参考值：0.15-0.20（每前进1cm，COM仅走1.5-2.0mm）。

四维综合对比：

基于四维评估结果，提出以下优化方向：

缩小左右不对称；

DS SI%从-45%降至<10%；

排查控制参数、执行器响应、机械装配、传感器标定；

结合关节扭矩、位置跟踪误差与足底接触状态进行验证。

• 降低Loading Rate尖峰；

• 增加足跟着地缓冲；

• 重点检查右侧异常着地事件及其触发条件；

• 优化落地阶段的力控算法，降低冲击峰值。

• 缩小侧向振幅；

• 优化步宽和重心控制；

• 减少COM Path中的无效侧向路径；

• 结合支撑时序及姿态数据进一步解释。

Gaitway3D连续测力与多参数分析有助于将机器人步态评估由定性观察推进到定量描述，并定位需要复核的侧别与步态阶段。

本研究在数据解读上需注意以下边界：

1.左右差异提示排查方向，但不能直接判定硬件故障。

双支撑时间及加载率差异可能与控制参数、执行器响应、机械装配、传感器标定或步态规划有关。现有数据能够定位异常表现，但尚不足以区分其原因，应结合关节扭矩、位置跟踪误差与足底接触状态进行验证。

2.定速行走时，净冲量接近零并不代表运动低效。

稳定定速行走要求平均前后向动量变化接近零。本次冲量分析的主要价值在于揭示左右分配差异；若要评价续航或能效，还需同步测量电功率、关节机械功及单位距离能耗。

3.垂直力与重心位移需要结合其他指标解释。

加载峰值高于蹬地峰值，不能单独证明机器人缺乏主动推进；较小的重心垂直位移也不能直接证明减震不足。应结合接触时间、关节屈伸、前后向力及质心加速度，综合评价缓冲和推进机制。

本研究展示了Gaitway3D三维测力跑台在具身机器人步态测试中的核心价值：

1.从定性观察到定量诊断

165项参数，58个连续步态周期；三维力、压力分布、COP轨迹全面采集。

2.从片段测试到连续多工况测试

速度0-30km/h，可编程加减速，坡度可调；长时连续运行，暴露短时测试无法发现的缺陷。

3.从单一指标到四维全面评估

时空对称性与稳定性；垂直力控制与柔顺性；制动与推进效率；重心位移轨迹。

h/p/cosmosGaitway 3D跑台将机器人步态评估从“能不能走”推进到“走得怎么样”，为具身机器人的控制调参、结构优化与商业化落地提供了可量化、可复现、可追踪的动力学数据基础。赢富仪器是h/p/cosmo的中国区官方代理，如需获取相关产品及报价，欢迎致电4006-111-556详询！