專利名稱：腿式移動機器人的控制方法以及腿式移動機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過使多個腿部連結體(link)動作而行走的腿式移動機 器人，特別是涉及使腿部連結體著落在路面上時的腿式移動機器人的動作 控制。
背景技術：
例如專利文獻1公開了以下的腿式移動機器人，該腿式移動機器人具 有軀體部和與軀體部連結的兩個腿部連結體，并且通過兩個腿部連結體交 替地向前方伸出并使其著落在路面上而行走。 一般來說，腿式移動機器人 基于以已知的路面作為前提而制作的步態(tài)數(shù)據(jù)來進行逆運動學計算，計算 出用于實現(xiàn)步態(tài)數(shù)據(jù)所描述的各部位的軌跡的踝關節(jié)和膝關節(jié)等腿部關節(jié) 的目標角度。另外，步態(tài)數(shù)據(jù)是包括腿式移動機器人的ZMP (zero moment point,零力矩點)軌跡、重心軌跡、軀體部的軌跡、以及經由踝 關節(jié)設置在腿部連結體的頂端上的腳掌的軌跡等的時序數(shù)據(jù)。并且，腿式 移動機器人按照追隨以下軌跡的方式來驅動腿部關節(jié)并由此來進行行走動 作，所述軌跡是時序地計算出的目標角度的軌跡。即，腿式移動機器人包 括用于使腿部關節(jié)的實際角度追隨目標角度的軌跡的伺服機構。
專利文獻1:日本專利文獻特開平5—2457S0號公報。

發(fā)明內容
'發(fā)明所要解決的問題
但是，當腿式移動機器人在存在未知凹凸的不平整路面上行走時，基 于已知的路面形狀而預先設定了的目標角度的軌跡未必是最適于進行穩(wěn)定 的行走動作的軌跡。即，即便使腿部關節(jié)的實際角度追隨基于已知的路面 形狀而設定了的目標角度，也難以使腿式移動機器人穩(wěn)定地持續(xù)行走，在最壞的情況下有可能導致機器人跌倒。
用于使腿式移動機器人在這樣的存在未知凹凸的不平整路面上行走的有效的控制方法之一是例如使作為腿部關節(jié)之一的踝關節(jié)成為柔軟的狀態(tài)而使腳掌著落在路面上，通過作用在腳掌上的來自路面的反作用力使踝關節(jié)角度被動地發(fā)生變化，由此使踝關節(jié)角度效仿路面形狀。
但是，如果使腿部關節(jié)被動地效仿路面形狀，則在剛著地后的腿部關節(jié)的實際角度與預先設定了的目標角度之間會產生偏差。如果未恰當?shù)匮a償該偏差對機器人的行走造成的影響，則無法穩(wěn)定地進行以著地了的腿部連結體作為新的支承腿之后的行走。具體地說，由于著地后成為支承腿的腿部連結體的關節(jié)急劇地追隨目標角度，有可能導致腿式移動機器人的重心位置發(fā)生急劇的變化。另外，如上所述，有時基于已知的路面形狀而預先設定了的目標角度的軌跡不是恰當?shù)能壽E。在該情況下，即便使腿部關節(jié)追隨原來的目標角度，腿式移動機器人也無法進行穩(wěn)定的行走動作。
本發(fā)明是考慮到上述問題而完成的，其目的在于當為了使效仿路面形狀而變化了的腿部關節(jié)的實際角度追隨目標角度而再次使腿部關節(jié)變硬了時，抑制由于腿部關節(jié)追隨背離了實際角度的目標角度而導致腿式移動機器人產生不穩(wěn)定的舉動。
用于解決問題的手段
本發(fā)明的第一方式的方法是包括多個腿部連結體的腿式移動機器人的行走控制方法，進行以下所述的處理。首先，當所述多個腿部連結體中的作為懸空腿的第一腿部連結體著落在路面上時，控制驅動所述第一腿部連結體所具有的第一腿部關節(jié)的驅動部以使所述第一腿部關節(jié)變柔，由此使著落在所述路面上的所述第一腿部連結體的所述第一關節(jié)的實際角度不追隨預先確定了的目標角度的軌跡而是根據(jù)所述路面的形狀發(fā)生變化。并且，在所述第一腿部連結體著落在所述路面上之后，修正所述目標角度的軌跡以消除所述第一腿部關節(jié)的實際角度與所述目標角度的差。另外，通過控制所述驅動部以使所述第一腿部關節(jié)變硬來使成為了支承腿的所述第一腿部連結體的所述第一關節(jié)的實際角度追隨修正后的所述目標角度的軌跡。如上所述，在本發(fā)明的第一方式的方法中，修正預先設定了的目標角度的軌跡，以消除在使腿部關節(jié)變柔的狀態(tài)下使腿部連結體著地時產生的腿部關節(jié)的實際角度與作為控制目標的目標角度的差。由此，能夠在為了使效仿路面形狀而發(fā)生了變化的腿部關節(jié)的實際角度追隨目標角度而再次使腿部關節(jié)變硬了時，抑制由于腿部關節(jié)急劇地追隨與實際角度不同的目標角度而導致腿式移動機器人產生不穩(wěn)定的舉動。
另外，在上述第一方式中，可以采用以下方式通過改變所述第一關節(jié)追隨所述目標角度的追隨速度來改變所述第一關節(jié)的柔度。另外，也可以采用以下方式通過增減所述驅動部的輸出轉矩來改變所述第一關節(jié)的柔度。
另外，可以采用以下方式通過將使所述第一關節(jié)變硬時的所述第一關節(jié)的實際角度與所述目標角度的差和所述目標角度相加來修正上述第一方式中的所述目標角度。由此，能夠容易地修正腿部關節(jié)的實際角度與預先設定了的目標角度的偏差。
另外，也可以采用以下方式通過將使所述第一關節(jié)變硬時的所述第一關節(jié)的實際角度與所述目標角度的差、以及連結有所述多個腿部連結體的所述腿式移動機器人的軀體部的目標姿勢角度與實際姿勢角度的差和所述目標角度相加來修正上述第一方式中的所述目標角度。由此，能夠在使第一關節(jié)變硬時的第一關節(jié)的實際角度的計測值包含誤差時、第一關節(jié)的實際角度與目標角度的差包含誤差時、或者計算出了第一關節(jié)的實際角度與目標角度的差之后成為支承腿的腿部連結體與路面的接觸狀態(tài)發(fā)生了變化時，抑制將第一腿部連結體作為支承腿而接下來著地的腿部連結體產生位置誤差。因此，能夠使行走動作穩(wěn)定。
另外，在上述第一方式中，可以采用以下方式在所述第一腿部連結體再次變?yōu)榱藨铱胀绕陂g后使對所述目標角度的修正量為0。由此，能夠使再次使第一腿部連結體作為懸空腿而著地時的第一腿部連結體的姿勢
(根據(jù)第一關節(jié)角度確定的姿勢)成為基于預先設定了的目標角度9ref
(t)的姿勢。因此，能夠防止由于過去的路面的凹凸等而發(fā)生了變化的第一腿部連結體的姿勢被保持而產生的第一腿部連結體與行走環(huán)境內的物體的出乎意料的接觸等。
另外，上述第一方式中的腿部關節(jié)的一個例子是可轉動地支承設置在所述腿部連結體的頂端的腳掌的踝關節(jié)。另外，腿部關節(jié)的其他例子是用于使設置在腳掌上的腳尖部相對于腳掌基部動作的腳尖關節(jié)。
本發(fā)明的第二方式的腿式移動機器人包括軀體部；多個腿部連結體，分別至少具有一個腿部關節(jié)并與所述軀體部連結；驅動部，驅動所述腿部關節(jié)；以及控制部，控制所述驅動部以使所述腿部關節(jié)的實際角度追隨預先設定了的目標角度的軌跡。這里，在所述多個腿部連結體中的作為懸空腿的第一腿部連結體著落在路面上時，所述控制部控制所述驅動部以使作為所述第一腿部連結體的所述腿部關節(jié)的第一腿部關節(jié)變柔，由此使所述第一關節(jié)的實際角度不追隨所述目標角度的軌跡而是根據(jù)所述路面的形狀發(fā)生變化。并且，在所述第一腿部連結體著落在所述路面上之后，所述控制部基于所述第一腿部關節(jié)的實際角度與預先設定了的所述目標角度的差來修正所述目標角度的軌跡，并且通過控制所述驅動部以使所述第一腿部關節(jié)變硬來使變?yōu)榱酥С型鹊乃龅谝煌炔窟B結體的所述第一關節(jié)的實際角度追隨修正后的所述目標角度的軌跡。
如上所述，本發(fā)明的第二方式的腿式移動機器人也基于在使腿部關節(jié)變柔的狀態(tài)下使腿部連結體著地時產生的腿部關節(jié)的實際角度與作為控制目標的目標角度的差來修正預先設定了的目標角度的軌跡。由此，能夠在為了使效仿路面形狀而發(fā)生了變化的腿部關節(jié)的實際角度追隨目標角度而再次使腿部關節(jié)變硬了時，抑制由于腿部關節(jié)急劇地追隨與實際角度不同的目標角度而導致腿式移動機器人產生不穩(wěn)定的舉動。
發(fā)明的效果
通過本發(fā)明，在為了使效仿路面形狀而變化了的腿部關節(jié)的實際角度追隨目標角度而再次使腿部關節(jié)變硬了時，能夠抑制由于腿部關節(jié)追隨背離了實際角度的目標角度而導致腿式移動機器人產生不穩(wěn)定的舉動。


圖l是發(fā)明的實施方式一的腿式移動機器人的模型圖；圖2是表示發(fā)明的實施方式一的腿式移動機器人的控制系統(tǒng)的框圖；圖3是表示發(fā)明的實施方式一的腿式移動機器人的腿部連結體的著地控制處理的流程圖4A是發(fā)明的實施方式一的腿式移動機器人的腿部放大圖；圖4B是發(fā)明的實施方式一的腿式移動機器人的腿部放大圖5是表示發(fā)明的實施方式一的腿式移動機器人的踝關節(jié)角度的時間變化的圖6A是為了說明在發(fā)明的實施方式二中使用的參數(shù)的定義而參照的腿式移動機器人的側面圖6B是為了說明在發(fā)明的實施方式二中使用的參數(shù)的定義而參照的腿式移動機器人的側面圖7是表示發(fā)明的實施方式二中的踝關節(jié)目標角度的修正量的圖8A是為了說明發(fā)明的實施方式二中的踝關節(jié)目標角度的修正的詳細情況而參照的腿式移動機器人的側面圖8B是為了說明發(fā)明的實施方式二中的踝關節(jié)目標角度的修正的詳細情況而參照的腿式移動機器人的側面圖9是為了說明腳掌與路面的設置狀態(tài)的變化而參照的腿式移動機器人的側面圖。
標號說明
100腿式移動機器人
IO視覺傳感器
ll環(huán)境地圖制作部
12步態(tài)數(shù)據(jù)生成部
13動作生成部
14控制部
15執(zhí)行器
16編碼器
122、 128踝關節(jié)(間距方向)131R、 131L腳掌50路面
51臺階
BD軀體部
AR右臂部連結體
AL左臂部連結體
LR右腿部連結體
LL左腿部連結體
具體實施例方式
以下，參照附圖來詳細地說明應用了本發(fā)明的具體實施方式
。在各附圖中，對相同的要素標注相同的標號。另外，有時省略與相同要素相關的重復說明。
實施方式一
本實施方式的機器人100是具有兩個腿部連結體的腿式移動機器人。首先，參照圖1來說明機器人100的關節(jié)自由度。圖1是通過關節(jié)和連結關節(jié)之間的連桿來表示機器人100的模型圖。機器人100具有頭部101、兩個腿部連結體LR和LL、兩個臂部連結體AR和AL、以及連結它們的軀體部BD。
在機器人100的頭部101設置有視覺傳感器101，該視覺傳感器101獲取外界的三維的點群數(shù)據(jù)、即距離圖像數(shù)據(jù)。支承頭部101的頸關節(jié)具有側傾(roll)方向上的關節(jié)102、俯仰(pitch)方向上的關節(jié)103、以及橫擺(yaw)方向上的關節(jié)103。右臂部連結體AR具有肩的俯仰方向上的關節(jié)105、肩的側傾方向上的關節(jié)106、上臂的橫擺方向上的關節(jié)107、肘的俯仰方向上的關節(jié)108、以及手腕的橫擺方向上的關節(jié)109，并且在右臂部連結體AR的末端設置有手部141R。另外，手部141R的機構根據(jù)保持的物體的形狀、類別等來確定即可，例如可以是具有多個手指的、具有多個關節(jié)和多自由度的構造。
左臂部連結體AL具有與右臂部連結體AR相同的構造。具體地說，左臂部連結體AL具有五個關節(jié)IIO至114，在其末端具有手部141L。右腿部連結體LR具有腰的橫擺方向上的關節(jié)118、腰的俯仰方向上 的關節(jié)119、腰的側傾方向上的關節(jié)120、膝的俯仰方向上的關節(jié)121、腳 踝的俯仰方向上的關節(jié)122、以及腳踝的側傾方向上的關節(jié)123。在踝關 節(jié)122和123的下部設置有腳掌131R。
左腿部連結體IX具有與右腿部連結體LR相同的構造。具體地說， 左腿部連結體LL具有六個關節(jié)124至129，在其末端具有腳掌131L。
軀體部143具有橫擺方向上的關節(jié)115、側傾方向上的關節(jié)116、以 及俯仰方向上的關節(jié)117。
接下來說明用于使機器人100行走的控制系統(tǒng)。圖2表示了機器人 100的控制系統(tǒng)的構成例子。在圖2中，如上所述，視覺傳感器10獲取機 器人100的外界的距離圖像數(shù)據(jù)。具體地說，視覺傳感器10可以是激光 測距儀等有源距離傳感器。另外，視覺傳感器10也可以包括具有CCD (Charge Coupled Device ，電荷耦合器件)圖像傳感器或CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互補金屬氧化物半導體)圖 像傳感器等攝像元件的多個照相機，并使用通過這多個照相機拍攝獲得的 圖像數(shù)據(jù)來生成距離圖像數(shù)據(jù)。具體地說，從通過多個照相機拍攝獲得的 圖像數(shù)據(jù)檢測出對應點并通過立體觀測(stereoscopic viewing)復原對應 點的三維位置即可。這里，在對多個拍攝圖像中的對應點的搜索中使用采 用了對多個拍攝圖像的時空微分的約束式(constraint expression)的梯度 法或相關法等公知的方法即可。
環(huán)境地圖生成部11使用距離圖像數(shù)據(jù)來生成與機器人100所處的環(huán) 境相關的環(huán)境地圖。環(huán)境地圖例如作為從距離圖像數(shù)據(jù)檢測出的多個平面 的集合而被生成。
步態(tài)數(shù)據(jù)生成部12參照由環(huán)境地圖生成部ll制作的環(huán)境地圖來決定 目標到達位置，并生成用于到達所決定的目標到達位置的步態(tài)數(shù)據(jù)。這 里，步態(tài)數(shù)據(jù)例如包括機器人100的ZMP軌跡、機器人100的重心軌 跡、腳掌131R和131L的著地位置的軌跡等。
動作生成部13輸入步態(tài)數(shù)據(jù)來執(zhí)行逆運動學計算，生成用于實現(xiàn)步 態(tài)數(shù)據(jù)的各個關節(jié)的目標角度的軌跡。這里生成的目標角度的軌跡例如包括支承腳掌131R、 131L的俯仰方向上的踝關節(jié)122、 128的目標角度軌跡 歸(t)。
控制部14輸入計算出的各個關節(jié)的目標角度軌跡和通過編碼器16計 測出的各個關節(jié)的實際角度來執(zhí)行反饋控制，計算出用于驅動各個關節(jié)的 轉矩控制值。執(zhí)行器15按照由控制部14計算出的轉矩控制值來驅動各個 關節(jié)，由此使機器人100執(zhí)行行走動作。
另外，如果考慮在機器人100行走的路面上有可能存在未知的凹凸或 者由于機器人100自身的撓曲而產生的腿部連結體LR和LL等的位置誤 差，則難以使機器人100完全按照預先計算出的目標角度的軌跡來行走。 因此，機器人100在使懸空腿側的腳掌131R或131L著落在路面上時，預 先使踝關節(jié)122或128成為柔軟的狀態(tài)，并通過作用于落在了路面上的腳 掌131R或131L的來自路面的反作用力使踝關節(jié)角度被動地發(fā)生變化。 即，機器人100在懸空腿著地時使踝關節(jié)角度效仿路面形狀。
所謂踝關節(jié)122和128柔軟的狀態(tài)意味著踝關節(jié)122和128不追隨預 先設定了的目標角度0ref (t)、它們的實際角度根據(jù)與腳掌131R、 131L 接觸的路面的形狀而發(fā)生變化的狀態(tài)。具體地說，減小為了使懸空腿的踝 關節(jié)122或128追隨目標角度而應用于控制部14的反饋控制增益來降低懸 空腿的踝關節(jié)追隨目標角度的追隨速度即可?；蛘?，也可以通過限制驅動 懸空腿側的踝關節(jié)122或128的執(zhí)行器15的輸出轉矩的最大值來降低懸空 腿的踝關節(jié)追隨目標角度的追隨速度。
以下說明為了在使踝關節(jié)變柔軟了的狀態(tài)下使懸空腿側的腿部連結體 的腳掌著落在路面上后將著地了的腿部連結體變換為支承腿而繼續(xù)行走動 作，以控制部14為主體而被執(zhí)行的控制處理。圖3是表示在使懸空腿側 的腿部連結體著地時由控制部14執(zhí)行的控制程序的流程圖。另外，在以 下的說明中，將使處于懸空腿時期的腿部連結體LR著地時作為例子來進 行說明。
在步驟S10中，控制部14通過降低對處于懸空腿時期的腿部連結體 LR的踝關節(jié)122的反饋控制增益來降低踝關節(jié)122追隨目標角度0ref (t)的追隨速度。即，成為踝關節(jié)122能夠效仿路面形狀而靈活地發(fā)生變200880010502.5 化的狀態(tài)。
在步驟Sll中，在腿部連結體LR著地完成后，計算出踝關節(jié)122的 對目標關節(jié)軌跡0ref (t)的修正量Al (t)。另外，腿部連結體LR著地 完成的時點基于由步態(tài)數(shù)據(jù)規(guī)定的腳掌131R的著地時點來確定即可。另 外，也可以在腳掌131R上設置接觸傳感器(未圖示)和力傳感器(未圖 示)，使用它們的檢測結果來檢測腳掌131R的底面與路面的接觸狀態(tài)， 由此來判定著地完成時點。
在本實施方式中，通過以下的(1)式來計算出某時刻t的修正量Al (t)。在(1)式中，時刻tO為著地結束時點。另外，0real是通過編碼器 16計測出的踝關節(jié)122的實際角度。g卩，在本實施方式中，將著地完成時 點tO的效仿路面形狀而發(fā)生了變化的踝關節(jié)122的實際角度0real (t0)與 預先設定了的目標角度0ref (t0)的差Aini作為修正量Al (t)。
Al (t) =Aini=0real (t0) —0ref (t0)…(1)
圖4A表示了在路面50上沒有未知的臺階、著地完成時點t0的踝關節(jié) 122的實際角度0real (t0)與預先設定了的目標角度0ref (t0) —致的理想 的狀態(tài)。另一方面，圖4B表示了在腳掌131R的著地場所存在未知的凸臺 階51的情況。如圖4B所示，如果在腳掌131R的腳尖側存在凸臺階51， 則踝關節(jié)會根據(jù)凸臺階51的形狀而發(fā)生變化。因此，著地完成時點t0的 踝關節(jié)122的實際角度0real (t0)比目標角度0ref (t0)小。因此，在圖 4B的情況下，按照(1)式的定義計算出的差Aini、即修正量Al (t)為 負值。
返回到圖3來繼續(xù)進行說明。在步驟S12中，控制部14增大踝關節(jié) 122的控制增益并進行控制以使踝關節(jié)122的實際角度0real (t)追隨修正 后的目標角度0ref—cl (t)。這里，修正后的目標角度0ref_cl (t)例如使 用以下的(2)式來計算即可。使踝關節(jié)122追隨修正后的目標角度 0ref一cl (t)的控制至少在腿部連結體LR為支承腿的期間持續(xù)執(zhí)行即可。
9 ref一cl (t) = e ref (t) —A1 (t)…(2)
另外，在作為支承腿的腿部連結體LR再次離開路面而成為了懸空腿 之后在懸空腿期間內通過預定的時間常數(shù)使得對目標角度0ref (t)的修正量Al (t)收斂為0即可。由此，能夠使再次使腿部連結體LR著地時的 腳掌131R的姿勢成為遵循預先設定的目標角度0ref (t)的固定的姿勢。 由此，根據(jù)路面的凹凸而使其變化了的腳掌131R的修正后的姿勢在懸空 腿期間中也被保持，從而能夠防止行走環(huán)境內的物體與腳掌131R的出乎 意料的接觸。
圖5是表示踝關節(jié)122的實際角度0real (t)、目標角度0ref (t)、 以及修正后的目標角度0ref一cl (t)的關系的圖。圖5的點劃線表示了實 際角度6real (t)的時間變化，圖5的虛線表示了目標角度0ref (t)的軌 跡。另外，圖5的實線表示了修正后的目標角度&ef一cl (t)的軌跡。
在圖5中，當腿部連結體LR處于懸空腿時期時，進行控制以使實際 角度0real (t)追隨預先設定了的目標角度0ref (t)。接著，當觀察使腿 部連結體LR著地的著地期間時，由于踝關節(jié)122成為柔軟的狀態(tài)，因此 實際角度0real (t)根據(jù)路面形狀而發(fā)生變化。因此，實際角度0real (t) 背離了目標角度0ref (t)。然后，當經過了腿部連結體LR著地完成的時 點tO時，腿部連結體LR成為支承腿，因此踝關節(jié)122成為硬的狀態(tài)。由 此，踝關節(jié)122追隨修正后的目標角度&ef一cl (t)。另外，在踝關節(jié)122 開始追隨修正后的目標角度0ref一cl (t)的開始時點t0，實際角度0real (t0)與修正后的目標角度0ref—cl (t)連續(xù)。
如上所述，本實施方式的機器人100使踝關節(jié)122變柔而使腳掌131R 著地。然后，在使腳掌131R著地后，當為了使效仿路面形狀而發(fā)生了變 化的踝關節(jié)122的實際角度追隨目標角度而使踝關節(jié)122變硬時，通過 (1)式所示的修正量Al (t)來修正使踝關節(jié)122追隨的目標角度0ref (t)。由于修正后的目標角度0ref—cl (t)在使踝關節(jié)122變硬的開始時 點t0與實際角度0real (t0)連續(xù)，因此不會由于踝關節(jié)122急劇地發(fā)生變 化而導致機器人100產生不穩(wěn)定的舉動。即，本實施方式的機器人100能 夠抑制由于踝關節(jié)122急劇地追隨與實際角度0real (t0)不同的當初的目 標角度&ef (t0)而產生不穩(wěn)定的舉動。
實施方式二
在上述發(fā)明的實施方式一中，使與目標角度0ref (t)相加的修正量發(fā)生了變化的實際角度0real (t0)而確定 的恒定值Aini。當差Aini正確地表示出路面形狀時，使用通過(1)式確 定的修正量Al (t)而進行的對目標角度^ef (t)的修正是恰當?shù)摹５?是，腿部連結體LR的著地例如是在0.1秒左右的短時間內發(fā)生的現(xiàn)象， 因此考慮有時難以在行走中始終計算出正確的實際角度0real (t0)和差 Aini。另外，如圖9所示，在以下情況下也使用差Aini來修正目標角度 0ref (t)是不妥當?shù)脑谀_掌131R的著地完成、決定了差八ini之后的腿 部連結體LR成為支承腿的期間內，腳掌131R的底面與路面50的接觸狀 態(tài)發(fā)生了變化。
因此，為了進一步提高機器人100的行走穩(wěn)定性，本實施方式的腿式 移動機器人通過以下的(3)式來計算出對目標角度0ref (t)的修正量A2 (t)。
A2 (t) =Aini+A0 (t)…(3)
這里，A0是軀體部BD的姿勢角的實際角度0 real (t)與目標角度 0ref (t)的差。圖6A和圖6B表示了目標角度0ref (t)、實際角度0 real (t)、以及差A0 (t)的關系。如圖6A所示，目標角度0ref (t)是為了 在已知的路面50上行走而預先計劃的軀體部BD的姿勢角軌跡。這里，關 于0ref (t)，將重力方向作為原點，將從重力方向前傾的方向作為正方 向，將從重力方向后傾的方向作為負方向。另一方面，0real (t)是軀體 部BD的姿勢角的實際角度。軀體部BD的姿勢角的實際角度0 real (t) 例如通過陀螺傳感器(未圖示)來檢測即可。當存在圖6B所示的未知的 凸臺階51等外部干擾因素時，在實際角度0real (t)與目標角度0ref (t) 之間會產生偏差。該偏差為差A0 (t)，通過以下的(4)式來定義。
△0 (t) =0real (t) —0ref (t)…(4)
圖7表示了 (3)式所示的修正量A2 (t)的時間變化的一個例子。圖 7中的實線所表示的圖為修正量A2 (t)。即，在本實施方式中，計算出 時刻tO的Aini，并在增大了控制增益以使踝關節(jié)122變硬之后，使與軀體 部BD的絕對座標相對的姿勢角的實際角度0 real (t)與目標角度0ref (t)的差A0 (t)反映在對踝關節(jié)角度的修正量上。量A2 (t)修正了的目標角度6ref—c2 (t)通 過以下的(5)式來表示。即，當軀體部BD比目標角度前傾時，向軀體部 BD后傾的方向修正踝關節(jié)的目標角。相反，當軀體部BD比目標角度后 傾時，向軀體部BD前傾的方向修正踝關節(jié)的目標角。 9 ref一c2 (t) = 6 ref (t) +A2 (t)
=9ref一cl (t) +A0 (t)…(5) 如果對比在發(fā)明的實施方式一中采用的踝關節(jié)122的目標角6ref—cl (t)和在本實施方式中采用的目標角eref—c2 (t)，則如圖8A和圖8B 所示。圖8A所示的側面圖表示了踝關節(jié)122追隨目標角9ref—cl (t)、 但是由于Aini有誤差而產生了姿勢角差A0的狀態(tài)。這樣，如果9reflcl (t)包含了誤差，則接下來著地的腿部連結體LL的腳掌131L相對于路 面50的高度有可能產生偏差。 一旦產生了這樣的高度偏差，則著地的定 時(timing)會偏離預定時刻，并且腳掌131L著地時的沖擊變大。因此， 變?yōu)椴环€(wěn)定的行走動作。
另一方面，圖8B所示的側面圖表示了通過使姿勢角的偏差A0 (t)反 映在踝關節(jié)的目標角6ref_c2 (t)上而使踝關節(jié)122追隨目標角9 ref—c2 (t)的狀態(tài)。這樣，通過反映出姿勢角的偏差A0 (t)來修正踝關節(jié)的目 標角，能夠抑制接下來著地的腿部連結體LL產生位置誤差，從而能夠使 行走動作穩(wěn)定。
另外，本實施方式的腿式移動機器人的結構和使懸空腿著地時的全部 控制程序除了在控制部14的腿部連結體的著地控制中使用上述修正量A2 (t)這一點以外與上述發(fā)明的實施方式一相同。 其他實施方式
在上述實施方式一和二中，為了簡化說明而對俯仰方向上的踝關節(jié) 122和128的控制進行了詳細的說明。但是，勿庸置疑，除了俯仰方向上 的關節(jié)122和128以外，還可以將本發(fā)明應用在側傾方向上的踝關節(jié)123 和129的控制上。另外，不限于踝關節(jié)，本發(fā)明也可以應用在對膝關節(jié)等 其他的腿部關節(jié)的控制上。另外，在實施方式一和二中說明了腳掌131R 和131L不具有關節(jié)的機器人，但是腳掌131R和131L也可以具有腳尖關節(jié)。g卩，也可以構成為腳掌131R和131L分別被分割為腳掌基部和腳尖
部，腳尖部以能夠經由腳尖關節(jié)進行轉動的方式與腳掌基部結合。在這樣 構成的腿式移動機器人中，也可以將本發(fā)明應用在對腳尖關節(jié)的控制上。
另外，在上述發(fā)明的實施方式一和二中說明了以下內容機器人100 自身識別環(huán)境并生成環(huán)境地圖，基于生成的環(huán)境地圖來生成步態(tài)數(shù)據(jù)，并 基于生成的步態(tài)數(shù)據(jù)來生成腿部關節(jié)的目標角度軌跡。但是，環(huán)境地圖數(shù) 據(jù)、步態(tài)數(shù)據(jù)、以及腿部關節(jié)的目標角度軌跡數(shù)據(jù)也可以通過從外部輸入
而將其保存在機器人100中。
另外，本發(fā)明不限于上述實施方式，勿庸置疑可以在不脫離上述本發(fā) 明的主旨的范圍內進行各種變更。
權利要求
1.一種腿式移動機器人的行走控制方法，所述腿式移動機器人包括多個腿部連結體，當所述多個腿部連結體中的作為懸空腿的第一腿部連結體著落在路面上時，控制驅動所述第一腿部連結體所具有的第一腿部關節(jié)的驅動部以使所述第一腿部關節(jié)變柔，由此使著落在所述路面上的所述第一腿部連結體的所述第一關節(jié)的實際角度不追隨預先確定了的目標角度的軌跡而是根據(jù)所述路面的形狀發(fā)生變化，在所述第一腿部連結體著落在所述路面上之后，修正所述目標角度的軌跡以消除所述第一腿部關節(jié)的實際角度與所述目標角度的差，通過控制所述驅動部以使所述第一腿部關節(jié)變硬來使成為了支承腿的所述第一腿部連結體的所述第一關節(jié)的實際角度追隨修正后的所述目標角度的軌跡。
2. 如權利要求1所述的行走控制方法，其中，通過改變所述第一關節(jié)追隨所述目標角度的追隨速度來改變所述第一關節(jié)的柔度。
3. 如權利要求1所述的行走控制方法，其中，通過增減所述驅動部的輸出轉矩來改變所述第一關節(jié)的柔度。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的行走控制方法，其中，通過將使所述第一關節(jié)變硬時的所述第一關節(jié)的實際角度與所述目標角度的差和所述目標角度相加來修正所述目標角度。
5. 如權利要求1至3中任一項所述的行走控制方法，其中，通過將使所述第一關節(jié)變硬時的所述第一關節(jié)的實際角度與所述目標角度的差、以及所述第腿部連結體為支承腿期間的連結有所述多個腿部連結體的所述腿式移動機器人的軀體部的目標姿勢角度與實際姿勢角度的差和所述目標角度相加來修正所述目標角度。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的行走控制方法，其中，在所述第一腿部連結體再次變?yōu)榱藨铱胀绕陂g后使對所述目標角度的修正量為0。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的行走控制方法，其中， 在所述腿部連結體的頂端設置有腳掌， 所述腿部關節(jié)是可轉動地支承所述腳掌的踝關節(jié)。
8. 如權利要求1至6中任一項所述的行走控制方法，其中， 在所述腿部連結體的頂端設置有腳掌，所述腳掌包括腳掌基部、腳尖部、以及將所述腳尖部可轉動地與所述腳掌基部結合的腳尖關節(jié)，所述腿 部關節(jié)是所述腳尖關節(jié)。
9. 一種腿式移動機器人，包括 軀體部；多個腿部連結體，分別至少具有一個腿部關節(jié)并與所述軀體部連結； 驅動部，驅動所述腿部關節(jié)；以及控制部，控制所述驅動部以使所述腿部關節(jié)的實際角度追隨預先設定 了的目標角度的軌跡；在所述多個腿部連結體中的作為懸空腿的第一腿部連結體著落在路面 上時，所述控制部控制所述驅動部以使作為所述第一腿部連結體的所述腿 部關節(jié)的第一腿部關節(jié)變柔，由此使所述第一關節(jié)的實際角度不追隨所述 目標角度的軌跡而是根據(jù)所述路面的形狀發(fā)生變化，在所述第一腿部連結體著落在所述路面上之后，所述控制部基于所述 第一腿部關節(jié)的實際角度與預先設定了的所述目標角度的差來修正所述目 標角度的軌跡，并且通過控制所述驅動部以使所述第一腿部關節(jié)變硬來使 變?yōu)榱酥С型鹊乃龅谝煌炔窟B結體的所述第一關節(jié)的實際角度追隨修正 后的所述目標角度的軌跡。
10. 如權利要求9所述的腿式移動機器人，其中，所述控制部通過將使所述第一關節(jié)變硬時的所述第一關節(jié)的實際角度 與所述目標角度的差和所述目標角度相加來修正所述目標角度。
11. 如權利要求9所述的腿式移動機器人，其中，所述控制部通過將使所述第一關節(jié)變硬時的所述第一關節(jié)的實際角度 與所述目標角度的差、以及所述第腿部連結體為支承腿期間的連結有所述多個腿部連結體的所述腿式移動機器人的軀體部的目標姿勢角度與實際姿 勢角度的差和所述目標角度相加來修正所述目標角度。
12.如權利要求9至11中任一項所述的腿式移動機器人，其中，所述控制部在所述第一腿部連結體再次變?yōu)榱藨铱胀绕陂g后使對所述目標角度的修正量為0。
全文摘要
機器人(100)所具有的控制部(14)在懸空腿(例如腿部連結體LR)著落在路面上時，控制驅動腿部連結體LR所具有的踝關節(jié)(122)的執(zhí)行器(15)以使踝關節(jié)(122)變柔，并使踝關節(jié)(122)的實際角度不追隨預先設定了的目標角度而是根據(jù)路面的形狀發(fā)生變化。并且，控制部(14)在腿部連結體LR著地了之后，修正踝關節(jié)(122)的目標角度的軌跡以消除踝關節(jié)(122)的實際角度與目標角度的差。另外，控制部(14)通過控制執(zhí)行器(15)以使踝關節(jié)(122)變硬來使變成了支承腿的腿部連結體LR的踝關節(jié)(122)的實際角度追隨修正后的目標角度的軌跡。
文檔編號B25J5/00GK101646532SQ20088001050
公開日2010年2月10日 申請日期2008年4月9日 優(yōu)先權日2007年4月20日
發(fā)明者梶間日出輝 申請人:豐田自動車株式會社