專利名稱：移動(dòng)設(shè)備及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及至少含有數(shù)條活動(dòng)腿的腿式移動(dòng)機(jī)器人(leggedlocomotion robot)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法、腿式移動(dòng)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)和移動(dòng)單元，尤其涉及采用 ZMP(零力矩點(diǎn))作為穩(wěn)定性判據(jù)的腿式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法。
更具體地說(shuō)，本發(fā)明面向根據(jù)來(lái)自安裝在機(jī)器人的各種部分上的傳感器的測(cè)量引 入的ZMP方程用于識(shí)別控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的未知外力矩和未知外力的、腿式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn) 動(dòng)控制設(shè)備和方法、腿式移動(dòng)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)和移動(dòng)單元，尤其面向包括分布在機(jī)器 人的各種部分上的傳感器的傳感器系統(tǒng)用于有效地測(cè)量引入ZMP方程所需的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的、 腿式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法、腿式移動(dòng)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)和移動(dòng)單元。
背景技術(shù)：
根據(jù)電磁工程學(xué)設(shè)計(jì)出來(lái)以模仿人的運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備被稱為"機(jī)器人(robot)"。 據(jù)說(shuō)術(shù)語(yǔ)"機(jī)器人"來(lái)源于斯拉夫語(yǔ)(Slavic)單詞"R0B0TA(隨動(dòng)機(jī)器)"。在日本，機(jī)器人 在六十年代末就非常流行。許多這樣的機(jī)器人是為了使工廠中的生產(chǎn)線自動(dòng)化或無(wú)人化而 設(shè)計(jì)、諸如機(jī)械手和輸送機(jī)器人之類的工業(yè)機(jī)器人。 最近，設(shè)計(jì)成具有像人類和類人猿等那樣的雙足直立行走動(dòng)物的物理機(jī)理和運(yùn)動(dòng) 的腿式移動(dòng)機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得進(jìn)展，并且，這樣的腿式移動(dòng)機(jī)器人可以用在實(shí) 際應(yīng)用中已指日可待。與爬行機(jī)器人，即四足或六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)相比，直立姿勢(shì)下的雙足 移動(dòng)在姿勢(shì)和行走方面更不穩(wěn)定和更難以控制。但是，雙足直立運(yùn)動(dòng)在不規(guī)則地面、存在障 礙物的崎嶇不平道路和諸如樓梯或臺(tái)階之類的階梯式表面上的靈活運(yùn)動(dòng)方面更具優(yōu)越性。
此外，設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)人類的生物機(jī)理和運(yùn)動(dòng)的腿式移動(dòng)機(jī)器人一般被稱為"類人機(jī) 器人"。例如，類人機(jī)器人可以在生活環(huán)境下和在其它日常事務(wù)中輔助人們從事活動(dòng)。
幾乎所有的人類工作空間和生活空間都是按照使雙足直立行走的人類的身體機(jī) 理和行為模式確定的，因此，存在許多妨礙利用輪子或任何其它驅(qū)動(dòng)設(shè)備作為移動(dòng)裝置的 當(dāng)前的機(jī)械系統(tǒng)的障礙物。因此，為了幫助人類，以及為了進(jìn)一步溶入人類生活空間中，機(jī) 械系統(tǒng)或機(jī)器人最好能夠在幾乎與人類移動(dòng)范圍相同的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。正是在這一點(diǎn)上，人 們迫切期待機(jī)器人可以達(dá)到實(shí)際可應(yīng)用程度。 例如，下面從如下兩個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)一步描述研究和開(kāi)發(fā)稱為"類人機(jī)器人"、使雙 足直立行走的腿式移動(dòng)機(jī)器人的意義。 觀點(diǎn)之一是從人類科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)成具有與人身體的下肢和/ 或上肢相似的結(jié)構(gòu)的機(jī)器人以各種各樣的方式進(jìn)行控制，以便模仿人類的行走。通過(guò)貫穿 這樣的過(guò)程的工程學(xué)，可以闡明包括行走在內(nèi)的人類自然運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。這種研究的結(jié)果還
4非常有助于促進(jìn)涉及運(yùn)動(dòng)機(jī)理的各種其它研究領(lǐng)域，譬如，人類工程學(xué)、康復(fù)工程學(xué)、運(yùn)動(dòng) 科學(xué)等。 另一個(gè)觀點(diǎn)是作為人類的伙伴能夠輔助人類生活，S卩能夠在生活環(huán)境和各種其它 日常事務(wù)狀況下幫助人們從事活動(dòng)的實(shí)用機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。關(guān)于這種類型的機(jī)器人的實(shí)際應(yīng) 用，應(yīng)該將它們?cè)O(shè)計(jì)成一邊通過(guò)用戶教授，一邊通過(guò)學(xué)習(xí)對(duì)個(gè)性不同的人或在各個(gè)方面的 人類生活環(huán)境下對(duì)不同環(huán)境的訪問(wèn)，在功能方面不斷成長(zhǎng)。對(duì)于與人類的流暢交流，"類人" 機(jī)器人被認(rèn)為實(shí)際上表現(xiàn)良好。 這里假設(shè)實(shí)際教授機(jī)器人如何學(xué)會(huì)避開(kāi)它決不應(yīng)該踩到的障礙物地穿過(guò)一個(gè)房 間。在這種情況下，用戶(工人)將能夠比其外形與用戶相當(dāng)不同的爬行型或四足機(jī)器人 容易得多地教授外形與他或她本身相似的雙足直立行走機(jī)器人，并且，雙足直立行走機(jī)器 人本身將能夠更容易地學(xué)會(huì)(參閱"Controlof bipedal walking robots (雙足行走機(jī)器人 的控制)，，，Takanishi，"高塑(Kouso) ，，，Kantoh Branch of Japan Automobile Technology Association, No. 25， April 1996)。 對(duì)于雙足腿式移動(dòng)機(jī)器人的姿勢(shì)控制和穩(wěn)定行走，人們已經(jīng)提出了許多技術(shù)。本 文所稱的"穩(wěn)定行走"可以定義為"不會(huì)跌倒地用腳運(yùn)動(dòng)"。 控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)對(duì)于防止機(jī)器人跌倒是非常重要的。"跌倒"意味著機(jī)器 人正在做的活動(dòng)中斷了 。機(jī)器人需要作出很大的努力和花費(fèi)許多時(shí)間才能從傾翻狀態(tài)恢復(fù) 到它的直立位置，重新開(kāi)始活動(dòng)。此外，跌倒將使機(jī)器人本身以及機(jī)器人在跌倒過(guò)程中撞到 的物品受到嚴(yán)重毀壞。因此，在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)腿式移動(dòng)機(jī)器人的過(guò)程中，控制機(jī)器人在行走或 工作期間采取穩(wěn)定姿勢(shì)是最重要技術(shù)問(wèn)題之一。 當(dāng)機(jī)器人正在行走時(shí)，由重力和行走運(yùn)動(dòng)引發(fā)的加速度將使來(lái)自機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系 統(tǒng)的重力和慣性力和它們的力矩作用在行走表面上。根據(jù)所謂的達(dá)朗伯爾(D' Alembert) 原理，重力、慣性力和它們的力矩將與作為行走表面對(duì)行走系統(tǒng)的反作用的地板反作用力 和它的力矩平衡。這種動(dòng)力學(xué)演繹(deduction)的結(jié)果是這樣的，在由腳底接觸的點(diǎn)和行 走表面確定的支撐多邊形的邊上或內(nèi)部，存在俯仰軸和搖晃軸(Pitch and rolling-axis) 力矩是零的點(diǎn)，即零力矩點(diǎn)(ZMP)。 控制腿式移動(dòng)機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)和防止機(jī)器人在行走的時(shí)候跌倒的許多建議 都采用ZMP作為確定行走穩(wěn)定性的判據(jù)。參考ZMP創(chuàng)建雙足行走模式的優(yōu)點(diǎn)在于，允許預(yù) 置腳底將接觸的點(diǎn)和易于考慮與行走表面的幾何形狀相對(duì)應(yīng)的腳趾運(yùn)動(dòng)控制條件。此外， 由于采用ZMP作為行走穩(wěn)定性判據(jù)導(dǎo)致將軌線，而不是任何力取作運(yùn)動(dòng)控制的目標(biāo)值，所 以在技術(shù)上更可行。應(yīng)該注意到，ZMP的概念和采用ZMP作為行走機(jī)器人的穩(wěn)定性確定的判 據(jù)公開(kāi)在Miomir Vukobratovic的"Legged Locomotion Robots (腿式移動(dòng)機(jī)器人)，，中。
—般說(shuō)來(lái)，像"類人機(jī)器人"那樣的雙足行走機(jī)器人具有位置比任何四足行走機(jī)器 人高的重心，并且，存在在行走時(shí)ZMP穩(wěn)定的更窄ZMP區(qū)域。因此，由行走表面的改變引起 姿勢(shì)改變的問(wèn)題對(duì)于雙足行走機(jī)器人尤其重要。 對(duì)于將ZMP用作確定雙足行走機(jī)器人的姿勢(shì)穩(wěn)定性的判據(jù)，人們已經(jīng)提出了一些 建議。 例如，待審日本專利申請(qǐng)第H05-305579號(hào)公開(kāi)了為了穩(wěn)定行走使ZMP是點(diǎn)的表面 上點(diǎn)與姿勢(shì)控制的目標(biāo)值一致的腿式移動(dòng)機(jī)器人。
此外，待審日本專利申請(qǐng)第H05-305581號(hào)公開(kāi)了設(shè)計(jì)成當(dāng)腳底接觸和離開(kāi)行走 表面時(shí)，ZMP位于支撐多邊形內(nèi)，或者位于相對(duì)于支撐多邊形的端點(diǎn)至少存在預(yù)定邊界的位 置上的腿式移動(dòng)機(jī)器人。由于即使機(jī)器人受到干擾，ZMP也保持預(yù)定邊界，所以機(jī)器人可以 更加穩(wěn)定地行走。 此外，待審日本已公布專利申請(qǐng)第H05-305583號(hào)公開(kāi)了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置控制運(yùn) 動(dòng)速度的腿式移動(dòng)機(jī)器人。更具體地說(shuō)，預(yù)置行走模式數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)腿關(guān)節(jié)，使ZMP與目標(biāo) 位置一致，檢測(cè)機(jī)器人上身的傾角，并且與檢測(cè)的傾角相對(duì)應(yīng)地改變預(yù)置行走模式數(shù)據(jù)的 輸出速率。當(dāng)踏在未知不規(guī)則表面上的機(jī)器人向前傾斜時(shí)，可以通過(guò)提高數(shù)據(jù)輸出速率恢 復(fù)正常姿勢(shì)。此外，由于ZMP被控制成在它的目標(biāo)值上，在用雙腳支撐機(jī)器人的同時(shí)，可以 毫無(wú)問(wèn)題地改變數(shù)據(jù)輸出速率。 此外，待審日本已公布專利申請(qǐng)第H05-305585號(hào)公開(kāi)了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置控制腳
底接觸的位置的腿式移動(dòng)機(jī)器人。更具體地說(shuō)，公開(kāi)的腿式移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)檢測(cè)ZMP目標(biāo)
位置與測(cè)量位置之間的位移，并且驅(qū)動(dòng)一條或兩條腿以便消除這種位移，或者通過(guò)檢測(cè)有
關(guān)ZMP目標(biāo)位置的力矩，并且驅(qū)動(dòng)這些腿以便使力矩變成零，可以穩(wěn)定地行走。 此外，待審日本已公布專利申請(qǐng)第H05-305586號(hào)公開(kāi)了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置控制其
傾斜姿勢(shì)的腿式移動(dòng)機(jī)器人。更具體地說(shuō)，機(jī)器人通過(guò)檢測(cè)由ZMP目標(biāo)位置引發(fā)的力矩(如
果存在的話)，并且驅(qū)動(dòng)這些腿以便力矩變成零，可以穩(wěn)定地行走。 基本上，在利用ZMP作為穩(wěn)定性判據(jù)控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)中，需要搜索存在
于由腳底接觸的點(diǎn)和行走表面確定的支撐多邊形的邊上或內(nèi)部和力矩變成零的點(diǎn)。 更具體地說(shuō)，導(dǎo)出描述施加在機(jī)器人身體上的力矩之間的平衡關(guān)系的ZMP方程，
并且糾正機(jī)器人的目標(biāo)軌線，以消除出現(xiàn)在ZMP方程中的力矩誤差。 為了用公式表示ZMP方程，有必要確定機(jī)器人上受控對(duì)象點(diǎn)的位置和加速度。在 利用ZMP作為穩(wěn)定性判據(jù)的許多傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，通過(guò)在將受控對(duì)象點(diǎn)的位置上的 數(shù)據(jù)取作傳感器輸入的控制系統(tǒng)中二階求導(dǎo)位置數(shù)據(jù)計(jì)算加速度數(shù)據(jù)，導(dǎo)出ZMP方程。
在上面基于ZMP方程的計(jì)算只用于控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)的情況下，計(jì)算量越 大，數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)就越重，因此計(jì)算所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。并且，由于加速度數(shù)據(jù)是間接獲 得的，它不可能精確，因此難以使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)諸如跳躍或奔跑之類的、必須迅速和實(shí)時(shí)地糾 正機(jī)器人軌線的動(dòng)作。此外，為了嚴(yán)格控制機(jī)器人姿勢(shì)，最好應(yīng)該在機(jī)器人上設(shè)置數(shù)個(gè)受控 對(duì)象點(diǎn)。但是，在這種情況下，數(shù)據(jù)計(jì)算將花費(fèi)非常長(zhǎng)時(shí)間，從而導(dǎo)致制造成本增加。
這里假設(shè)包括腿式機(jī)器人在內(nèi)的移動(dòng)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)嚴(yán)格地根據(jù)例如ZMP方程來(lái) 控制。在這種情況下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的最嚴(yán)格控制將通過(guò)測(cè)量局部坐標(biāo)的原點(diǎn)在世界坐標(biāo) (world coordinate)中的加速度、局部坐標(biāo)下機(jī)器人上每個(gè)點(diǎn)的位置(姿勢(shì))和加速度、 ZMP位置、外力和外力矩，以及引入在ZMP方程中用以識(shí)別未知外力矩和外力的測(cè)量值，控 制機(jī)器人上每個(gè)點(diǎn)的位置和加速度來(lái)達(dá)到。 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可以利用最小數(shù)量的傳感器來(lái)控制，這些傳感器包括配備在每根軸 (俯仰軸、搖晃軸和偏轉(zhuǎn)(yaw)軸(X、Y和Z)上的測(cè)角器(或加速度計(jì))和陀螺儀以及每 一個(gè)都部署在預(yù)期外力和外力矩施加在其上并除了動(dòng)作的實(shí)際位置之外的點(diǎn)上的六個(gè)軸 向力傳感器。 但是，對(duì)于采用上述傳感器排列的控制系統(tǒng)，除了局部坐標(biāo)的原點(diǎn)的加速度之外，難以通過(guò)直接測(cè)量機(jī)器人上所有點(diǎn)的位置和加速度來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
傳統(tǒng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基于如下假設(shè) (1)即使有任何外力和轉(zhuǎn)矩施加在機(jī)器人上，機(jī)器人周圍的外部環(huán)境也不會(huì)改變。
(2)機(jī)器人周圍的外部環(huán)境中的平動(dòng)(translation)摩擦系數(shù)足夠大不會(huì)引起任 何滑動(dòng)。
(3)即使有任何外力和轉(zhuǎn)矩施加在機(jī)器人上，機(jī)器人也不會(huì)變形。 因此，在有外力和轉(zhuǎn)矩施加在上面時(shí)其表面將移動(dòng)的碎石路、厚層地毯上或在由
于沒(méi)有足夠的平動(dòng)摩擦系數(shù)而滑動(dòng)的屋內(nèi)的磚地上，即在上面的假設(shè)得不得到保證的情況
下，只要其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是基于上面假設(shè)的，通過(guò)對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)本身加以考慮以實(shí)現(xiàn)包括
穩(wěn)定行走(移動(dòng))和跳躍在內(nèi)的整體運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)機(jī)器人將不會(huì)表現(xiàn)良好。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是通過(guò)提供一種能夠根據(jù)作為姿勢(shì)穩(wěn)定性判據(jù)的ZMP，對(duì) 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)器人姿勢(shì)的穩(wěn)定化作出控制、腿式移動(dòng)機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和 方法，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能夠通過(guò)迅速地和高精度地導(dǎo)出ZMP方程，嚴(yán)格
地控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)、腿式移動(dòng)機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能夠根據(jù)作為姿勢(shì)穩(wěn)定性判據(jù)的ZMP，良好地控
制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)、腿式移動(dòng)機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法和改進(jìn)和新穎
傳感器系統(tǒng)。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能夠通過(guò)利用根據(jù)來(lái)自配備在機(jī)器人上的各個(gè) 點(diǎn)上的傳感器的測(cè)量值引入的ZMP方程識(shí)別未知外力矩和未知外力，良好地控制機(jī)器人運(yùn) 動(dòng)、腿式移動(dòng)機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法和腿式移動(dòng)機(jī)器人的改進(jìn)和新穎傳 感器系統(tǒng)。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能夠通過(guò)分布在機(jī)器人上的各個(gè)點(diǎn)上的傳感器 形成的系統(tǒng)有效地測(cè)量引入ZMP方程所需的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、腿式移動(dòng)機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動(dòng) 控制設(shè)備和方法和腿式移動(dòng)機(jī)器人的改進(jìn)和新穎傳感器系統(tǒng)。 上面的目的可以通過(guò)提供包括至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的移動(dòng)設(shè)備，該設(shè)備包括第一 加速度傳感器，用于測(cè)量局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)的加速度，其中所述局部坐標(biāo)系隨所述移動(dòng)設(shè) 備移動(dòng)；第二加速度傳感器，配備在所述局部坐標(biāo)系中的一個(gè)或多個(gè)受控對(duì)象點(diǎn)的每一個(gè) 上，用于測(cè)量所在位置上的加速度；基于從至少第一和第二加速度傳感器獲得的加速度信 息來(lái)計(jì)算所述受控對(duì)象點(diǎn)關(guān)于所述局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)的加速度的相對(duì)加速度的裝置；以及 控制裝置，用于基于所述相對(duì)加速度控制所述受控對(duì)象點(diǎn)。 為了保證機(jī)器人設(shè)備姿勢(shì)的穩(wěn)定性，必須通過(guò)引入像例如ZMP方程或動(dòng)力學(xué)方程 那樣，用于穩(wěn)定性判據(jù)的方程，并且消除施加在機(jī)器人設(shè)備上的未知力矩和未知外力來(lái)控 制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。在ZMP處在支撐多邊形內(nèi)部的情況下，在系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng)，沒(méi)有 必要求解轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，ZMP方程利用系統(tǒng)定義的適當(dāng)ZMP空間來(lái)求解，以控制機(jī) 器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)。此外，在ZMP沒(méi)有處在支撐多邊形內(nèi)部的情況下或在支撐/作用點(diǎn)與環(huán) 境沒(méi)有關(guān)系的情況下，通過(guò)求解動(dòng)力學(xué)方程控制機(jī)器人在姿勢(shì)上保持穩(wěn)定。并且，在統(tǒng)一給予機(jī)器人上所有點(diǎn)的、像包括跳躍在內(nèi)的跳舞那樣的軌線以高優(yōu)先順序的情況下，求解ZMP 方程和動(dòng)力學(xué)方程兩者。 這里請(qǐng)注意，為了用公式表示方程，有必要確定機(jī)器人上每個(gè)受控對(duì)象點(diǎn)的位置 和加速度。但是，在只將受控對(duì)象點(diǎn)上的位置數(shù)據(jù)取作傳感器輸入的控制系統(tǒng)中，必須通過(guò) 求導(dǎo)或處理與計(jì)算加速度數(shù)據(jù)緊密相關(guān)的位置數(shù)據(jù)，在計(jì)算加速度數(shù)據(jù)之后導(dǎo)出方程。在 這種情況下，計(jì)算量越大，數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)就越重，因此，計(jì)算所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。并且，由 于加速度數(shù)據(jù)是間接獲得的，加速度數(shù)據(jù)不可能精確，因此，難以使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)必須迅速和 實(shí)時(shí)地糾正機(jī)器人軌線的動(dòng)作。 另一方面，由于加速度傳感器配備在設(shè)置在數(shù)個(gè)位置上的每個(gè)受控對(duì)象點(diǎn)上或機(jī)
器人上的一些點(diǎn)上，可以利用精確加速度數(shù)據(jù)和以減少的計(jì)算量引入方程。其結(jié)果是，即使
對(duì)于諸如跳躍和奔跑之類，應(yīng)該高速完成的操作，也可以良好地糾正軌線。 此外，上面的目的可以通過(guò)提供至少包括數(shù)個(gè)運(yùn)動(dòng)的腿式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制
設(shè)備或方法來(lái)達(dá)到，根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備或方法包括 檢測(cè)機(jī)器人上數(shù)個(gè)點(diǎn)的每一個(gè)上的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的狀態(tài)檢測(cè)裝置或步驟；禾口 根據(jù)來(lái)自狀態(tài)檢測(cè)裝置或步驟的檢測(cè)結(jié)果控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制裝置或步驟。 上面的狀態(tài)檢測(cè)裝置或步驟包括檢測(cè)機(jī)器人上的每個(gè)受控對(duì)象點(diǎn)上的加速度的 加速度測(cè)量裝置或步驟和在機(jī)器人與環(huán)境接觸的時(shí)候檢測(cè)ZMP和力的反作用力測(cè)量裝置 或步驟。在這樣的情況下，運(yùn)動(dòng)控制裝置或步驟可以通過(guò)生成描述施加在機(jī)器人上的力矩 之間的平衡關(guān)系的ZMP方程和消除出現(xiàn)在ZMP方程中的力矩誤差，糾正機(jī)器人的目標(biāo)軌線。
將ZMP用作穩(wěn)定性判據(jù)的機(jī)器人姿勢(shì)穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)是在由腳底接觸的點(diǎn)和行 走表面確定的支撐多邊形的內(nèi)部搜索沒(méi)有力矩的點(diǎn)。更具體地說(shuō)，在機(jī)器人姿勢(shì)控制中，導(dǎo) 出描述施加在機(jī)器人上的力矩之間的平衡關(guān)系的ZMP方程和糾正機(jī)器人的目標(biāo)軌線，以消 除出現(xiàn)在ZMP方程中的力矩誤差。 例如，最嚴(yán)格地控制機(jī)器人將通過(guò)測(cè)量局部坐標(biāo)的原點(diǎn)在世界坐標(biāo)中的加速度、 局部坐標(biāo)下機(jī)器人上每個(gè)受控對(duì)象點(diǎn)的位置(姿勢(shì))和加速度、ZMP位置和外力矩，并且控 制每個(gè)點(diǎn)的位置和加速度來(lái)達(dá)到。 但是，除了測(cè)量局部坐標(biāo)的原點(diǎn)在世界坐標(biāo)中的加速度之外，通過(guò)計(jì)算所有點(diǎn)的 每一個(gè)的位置和加速度完成、機(jī)器人姿勢(shì)的按原則控制成本昂貴，并且，其缺點(diǎn)在于，在機(jī) 器人中安放測(cè)量系統(tǒng)。 根據(jù)本發(fā)明，將機(jī)器人上最大程度地移動(dòng)質(zhì)量的、作為受控對(duì)象點(diǎn)的區(qū)域例如腰 部設(shè)置成局部坐標(biāo)的原點(diǎn)。將諸如加速度傳感器之類的測(cè)量裝置部署在受控對(duì)象點(diǎn)上，以 直接測(cè)量在機(jī)器人的那個(gè)位置上的姿勢(shì)和加速度。因此，使機(jī)器人的基于ZMP姿勢(shì)控制成 為可能。 另一方面，在大量移動(dòng)質(zhì)量的點(diǎn)被設(shè)置成受控對(duì)象點(diǎn)的情況下，不根據(jù)世界坐標(biāo) 直接測(cè)量腳的狀態(tài)，但根據(jù)受控對(duì)象點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果相對(duì)地計(jì)算它。因此，腳和行走表面的關(guān) 系應(yīng)該滿足如下條件 (1)即使有任何力和力矩施加在上面，行走表面也決不會(huì)移動(dòng)。
(2)行走表面上的平動(dòng)摩擦系數(shù)應(yīng)該足夠大，不會(huì)引起任何滑動(dòng)。
8
機(jī)器人不能在例如有外力和轉(zhuǎn)矩施加在上面其表面將移動(dòng)的碎石路、厚層地毯上
或在由于沒(méi)有足夠的平動(dòng)摩擦系數(shù)而滑動(dòng)的屋內(nèi)的磚地上穩(wěn)定地行走(移動(dòng))。 由于這個(gè)原因，本發(fā)明使用配備在接觸行走表面的每只腳上以直接測(cè)量ZMP和力
的反作用力傳感器(地板反作用力傳感器)和用于姿勢(shì)控制的局部坐標(biāo)和直接測(cè)量局部坐
標(biāo)的加速度傳感器。 其結(jié)果是，可以直接用公式表示與ZMP點(diǎn)最接近的腳的ZMP方程，因此，可以與上 述條件無(wú)關(guān)地對(duì)穩(wěn)定姿勢(shì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的更嚴(yán)格和迅速控制。 此外，可以將更大質(zhì)量移動(dòng)合并在控制系統(tǒng)中，并且，質(zhì)量移動(dòng)與部署在主要用于 使移動(dòng)穩(wěn)定的區(qū)域(腰部)上的加速度傳感器和姿勢(shì)傳感器直接測(cè)量的結(jié)果的結(jié)合使得有 可能不依賴于上述條件地對(duì)穩(wěn)定姿勢(shì)實(shí)現(xiàn)腿式移動(dòng)機(jī)器人的控制。 此外，狀態(tài)檢測(cè)裝置可以包括用于姿勢(shì)控制的局部坐標(biāo)和配備在每個(gè)控制點(diǎn)上、 直接測(cè)量坐標(biāo)的加速度傳感器和角速度傳感器和/或部署在用于計(jì)算模型中的每個(gè)矢量 位置上的加速度傳感器和姿勢(shì)傳感器。 在這樣的情況下，可以直接測(cè)量引入ZMP方程(動(dòng)力學(xué)方程)所需的控制參數(shù)。其 結(jié)果是，不用假設(shè)機(jī)器人足夠剛性，施加了任何外力都不會(huì)變形，就可以高度靈敏地實(shí)現(xiàn)嚴(yán) 格的運(yùn)動(dòng)控制。 為根據(jù)本發(fā)明的腿式移動(dòng)機(jī)器人準(zhǔn)備的傳感器系統(tǒng)包括安裝在機(jī)器人質(zhì)量集中 的每個(gè)點(diǎn)上的加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器。 可替換地，用于根據(jù)本發(fā)明的腿式移動(dòng)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)包括安裝在每條連桿 的重心附近上的加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器。 可替換地，用于根據(jù)本發(fā)明的腿式移動(dòng)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)包括安裝在形成像關(guān) 節(jié)一樣的自由度的每個(gè)致動(dòng)器的重心附近上的加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳 感器。 可替換地，用于根據(jù)本發(fā)明的腿式移動(dòng)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)包括分別安裝在每個(gè) 致動(dòng)器的重心附近和每條連桿除了致動(dòng)器之外的重心附近上的加速度傳感器、角加速度傳 感器和角速度傳感器。 可替換地，用于根據(jù)本發(fā)明的腿式移動(dòng)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)包括分別安裝在每個(gè) 致動(dòng)器的重心附近、電池的重心和每條連桿除了致動(dòng)器和電池之外的重心附近上的加速度 傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器。 此外，分布在機(jī)器人上的傳感器可以相互串聯(lián)，以便在每一個(gè)獨(dú)立控制點(diǎn)上和沿 著連接路線依次加上根據(jù)獨(dú)立控制點(diǎn)上的傳感器信息所計(jì)算的力矩項(xiàng)和外力項(xiàng)。可以有效 地計(jì)算這些項(xiàng)之和，以便高速地計(jì)算ZMP方程和動(dòng)力學(xué)方程。 腿式移動(dòng)機(jī)器人的、作為關(guān)節(jié)的、形成自由度的致動(dòng)器包括由轉(zhuǎn)子磁體和定子組 成的電機(jī)、加速和減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪單元和控制將電源供應(yīng)給電機(jī)的控制器，其中定 子由具有數(shù)個(gè)相的磁線圈形成。在控制器上，傳感器單元被安裝在致動(dòng)器單元的二維重心 附近的電源中。 根據(jù)本發(fā)明的其他方面，提供具有一個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)單元的移動(dòng)設(shè)備，其特征在于， 所述移動(dòng)設(shè)備包括第1加速度傳感器，對(duì)所述移動(dòng)設(shè)備設(shè)定局部坐標(biāo)系，測(cè)量所述局部坐 標(biāo)系原點(diǎn)的加速度；第2加速度傳感器，被部署在所述局部坐標(biāo)系中的一個(gè)以上的受控對(duì)象點(diǎn)上；相對(duì)加速度計(jì)算部件，至少基于從所述第l加速度傳感器以及所述第2加速度傳感 器獲得的加速度信息，計(jì)算對(duì)于所述局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的加速度的所述受控對(duì)象點(diǎn)的相對(duì)加 速度；以及控制部件，基于所述相對(duì)加速度來(lái)控制所述受控對(duì)象點(diǎn)。 根據(jù)本發(fā)明的其他方面，提供移動(dòng)設(shè)備的控制方法，該移動(dòng)設(shè)備具有一個(gè)以上的 移動(dòng)單元，其特征在于，該控制方法包括第1加速度測(cè)量步驟，對(duì)所述移動(dòng)設(shè)備設(shè)定局部 坐標(biāo)系，測(cè)量所述局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的第1加速度；第2加速度測(cè)量步驟，測(cè)量部署在所述局 部坐標(biāo)系中的一個(gè)以上的受控對(duì)象點(diǎn)上的第2加速度；相對(duì)加速度計(jì)算步驟，至少基于所 述第1加速度以及所述第2加速度，計(jì)算對(duì)于所述局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的加速度的所述受控對(duì) 象點(diǎn)的相對(duì)加速度；以及控制步驟，基于所述相對(duì)加速度來(lái)控制所述受控對(duì)象點(diǎn)。
"傳感器單元"包括例如1-軸到3-軸加速度傳感器、l-軸和2-軸角速度傳感器 和3-軸角速度傳感器的組合。 通過(guò)結(jié)合附圖，對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式進(jìn)行如下詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些目的 和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更加清楚。


圖1是處在直立位置、根據(jù)本發(fā)明的腿式移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)實(shí)施例的正視圖； 圖2是圖1中處在直立位置的腿式移動(dòng)機(jī)器人的后視圖； 圖3示意性地例示了根據(jù)本發(fā)明的腿式移動(dòng)機(jī)器人作為關(guān)節(jié)的自由度； 圖4示意性地例示了用在腿式移動(dòng)機(jī)器人100中的控制系統(tǒng)； 圖5示出了腿式移動(dòng)機(jī)器人100的多個(gè)質(zhì)點(diǎn)(mass point)的近似模型； 圖6放大地例示了多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的近似模型中的腰部和它的周圍； 圖7示出了在創(chuàng)建腿式移動(dòng)機(jī)器人100的穩(wěn)定行走運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所作的操作的流
程； 圖8還示出了在創(chuàng)建腿式移動(dòng)機(jī)器人100的穩(wěn)定行走運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所作的操作的流 程的另一種形式； 圖9-19說(shuō)明了如何設(shè)置機(jī)器人身體的上半部分的所需軌線的優(yōu)先順序； 圖20示出了安裝在腿式移動(dòng)機(jī)器人上質(zhì)量集中的點(diǎn)上的加速度傳感器、角加速
度傳感器和角速度傳感器； 圖21示出了安裝在腿式移動(dòng)機(jī)器人的每條連桿的重心附近上的加速度傳感器、 角加速度傳感器和角速度傳感器； 圖22示出了安裝在腿式移動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)致動(dòng)器的重心附近上的加速度傳感 器、角加速度傳感器和角速度傳感器； 圖23示出了在腿式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中所作的操作的流程； 圖24示出了在根據(jù)ZMP方程的解控制機(jī)器人處在穩(wěn)定位置上的過(guò)程中所作的操
作的流程； 圖25示出了在根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程的解控制機(jī)器人處在穩(wěn)定位置上的過(guò)程中所作的 操作的流程； 圖26示出了部署在腿式移動(dòng)機(jī)器人上的每個(gè)致動(dòng)器的重心附近上的傳感器相互 串聯(lián)的例子；
圖27也示出了部署在腿式移動(dòng)機(jī)器人上的每個(gè)致動(dòng)器的重心附近上的傳感器相 互串聯(lián)的例子； 圖28示出了加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器被安裝在單元的重 心附近上的關(guān)節(jié)致動(dòng)器的示范性結(jié)構(gòu)； 圖29示意性地例示了圖28中的關(guān)節(jié)致動(dòng)器的功能圖； 圖30示出了在每個(gè)控制點(diǎn)上的關(guān)節(jié)致動(dòng)器中，有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)、施加在控制點(diǎn) 上的外力矩項(xiàng)和由于施加在控制點(diǎn)上的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)的依次加起來(lái)；禾口
圖31示出了在每個(gè)控制點(diǎn)上的關(guān)節(jié)致動(dòng)器中，施加在控制點(diǎn)上的平動(dòng)力項(xiàng)、由于 有關(guān)ZMP的力矩而施加的平動(dòng)力項(xiàng)和外力項(xiàng)的依次加起來(lái)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式 下面參照附圖針對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。
A.腿式移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造 圖1和圖2分別是根據(jù)本發(fā)明的類人型腿式移動(dòng)機(jī)器人100的一個(gè)實(shí)施例的正視 圖和后視圖。它處在直立位置上。如圖所示，腿式移動(dòng)機(jī)器人100包括身體、頭部、左右上 肢和用于腿式運(yùn)動(dòng)的左右下肢。內(nèi)置在身體中的控制單元(未示出)提供整個(gè)機(jī)器人的系 統(tǒng)控制。 左右下肢的每一個(gè)包括大腿、膝關(guān)節(jié)、第二大腿、腳踝和腳。下肢通過(guò)臀關(guān)節(jié)連接 到軀干的底部。左右上肢的每一個(gè)包括上臂、肘關(guān)節(jié)和前臂。上肢通過(guò)肩關(guān)節(jié)連接到軀干 的每個(gè)上側(cè)。此外，頭部通過(guò)頸關(guān)節(jié)連接到軀干的上端中心附近。 控制單元包括其中安裝控制包含在腿式移動(dòng)機(jī)器人100中的關(guān)節(jié)致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)
和處理來(lái)自各傳感器(將作進(jìn)一步描述)和諸如電源電路等之類的外圍設(shè)備的外部輸入的
主控制器的盒子。控制單元可以進(jìn)一步包括遙控通信接口和通信設(shè)備。 腿式移動(dòng)機(jī)器人100可以使雙足行走歸因于控制單元的整體協(xié)作操作控制。 一般
說(shuō)來(lái)，雙足行走可以通過(guò)重復(fù)劃分成如下操作階段的行走循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(1)右腿離開(kāi)行走表面的單腿(左腿)支撐階段； (2)右腳正與行走表面接觸的雙支撐階段； (3)左腿離開(kāi)行走表面的單腿(右腿)支撐階段； (4)左腳正與行走表面接觸的雙支撐階段。 腿式移動(dòng)機(jī)器人100的行走可以通過(guò)預(yù)先計(jì)劃下肢的目標(biāo)軌線并在上述每個(gè)階
段中校正計(jì)劃軌線來(lái)控制。也就是說(shuō)，在雙腿支撐階段，停止下肢軌線校正，通過(guò)利用總校
正量的一個(gè)不變值校正臀部(腰部)的高度。在單腿支撐階段，關(guān)于其軌線已經(jīng)得到校正
的腿的腳踝和臀部之間的相對(duì)幾何關(guān)系校正軌線，以便落在計(jì)劃軌線內(nèi)。 除了行走運(yùn)動(dòng)的軌線校正之外，對(duì)穩(wěn)定位置的機(jī)器人控制還包括利用五階方程的
內(nèi)插來(lái)保證對(duì)于與ZMP(零力矩點(diǎn))的較小偏差的連續(xù)位置、速度和加速度?；赯MP的穩(wěn)
定性判據(jù)基于重力、慣性力和它們的力矩將與作為行走表面對(duì)行走系統(tǒng)的反作用的地板反
作用力和它的力矩平衡的"達(dá)朗伯爾原理"。這種機(jī)械演繹的結(jié)果是這樣的，在由腳底接觸
的點(diǎn)和行走表面確定的支撐多邊形的邊上或內(nèi)部，存在俯仰軸和搖晃軸力矩是零的點(diǎn)，即
零力矩點(diǎn)(ZMP)。 圖3示意性地例示了腿式移動(dòng)機(jī)器人100作為關(guān)節(jié)的自由度。如圖3所示，腿式移動(dòng)機(jī)器人100具有包括軀干和下肢的結(jié)構(gòu)，軀干與諸如包括兩只臂的上肢和頭之類的數(shù) 個(gè)末端或肢體連接，下肢包括提供機(jī)器人100的移動(dòng)的兩條腿。 支撐頭部的頸關(guān)節(jié)擁有3個(gè)自由度，包括頸關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸1、第1和第2頸關(guān)節(jié)俯仰 軸2a和2b和頸關(guān)節(jié)搖晃軸3。 此外，作為自由度，每只臂擁有在肩上的肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、肩關(guān)節(jié)搖晃軸5、上臂偏 轉(zhuǎn)軸6、在肘上的肘關(guān)節(jié)俯仰軸7、在腕上的腕關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸8和手。手實(shí)際上是包括數(shù)個(gè)手 指即多個(gè)關(guān)節(jié)和自由度的結(jié)構(gòu)。 軀干擁有像軀干俯仰軸9和軀干搖晃軸10那樣的兩個(gè)自由度。
此外，包括在下肢中的每條腿包括在臀關(guān)節(jié)上的臀關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸11 、臀關(guān)節(jié)俯仰軸 12和臀關(guān)節(jié)搖晃軸13、在膝上的膝關(guān)節(jié)俯仰軸14、在腳踝上的踝關(guān)節(jié)俯仰軸15和踝關(guān)節(jié)搖 晃軸16和腳。 但是，以?shī)蕵?lè)為目的的腿式移動(dòng)機(jī)器人100不應(yīng)該擁有上述所有自由度，或這樣 的機(jī)器人的自由度不局限于上述那些。當(dāng)然，取決于對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造的限制和要求，自 由度即關(guān)節(jié)數(shù)可以適當(dāng)增加或減少。 腿式移動(dòng)機(jī)器人100的上述自由度的每一個(gè)實(shí)際上是致動(dòng)器。致動(dòng)器最好應(yīng)該是 小型的和輕質(zhì)的，因?yàn)闄C(jī)器人應(yīng)該具有沒(méi)有過(guò)分凸出、與人的自然形狀接近的外形，并且應(yīng) 該控制不穩(wěn)定的雙足結(jié)構(gòu)以保持穩(wěn)定姿勢(shì)。本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例應(yīng)用了具有在一個(gè)芯片中 形成的伺服控制系統(tǒng)、直接與齒輪耦合和合并在電機(jī)單元中的小型AC(交流)伺服致動(dòng)器。 例如，已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的申請(qǐng)人的待審日本已公布專利申請(qǐng)第2000-299970號(hào)公開(kāi)了這 種類型的AC伺服致動(dòng)器。本實(shí)施例采用了低減速齒輪作為直接耦合齒輪，這種低減速齒輪 將實(shí)現(xiàn)對(duì)與人的物理交互給予主要考慮的機(jī)器人100所需的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身的被動(dòng)特性。
B.腿式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖4示意性地顯示了在腿式移動(dòng)機(jī)器人100中采用的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如圖所示， 腿式移動(dòng)機(jī)器人100包括模仿人的四個(gè)肢體(末端)的工作單元30、40、50R/L和60R/L和 為實(shí)現(xiàn)工作單元中的協(xié)作而提供自適應(yīng)控制的主控制單元80。請(qǐng)注意，為了區(qū)分右側(cè)和左 側(cè)，分別將"R"和"L"附在右手和左手部件后面。 主控制單元80總體控制腿式移動(dòng)機(jī)器人100。主控制單元80包括主控制器81和 外圍電路82，主控制器81包括諸如CPU(中央處理單元)、存儲(chǔ)器等的主要電路部件(未示 出)，外圍電路82包括電源單元和用于在機(jī)器人100的各個(gè)部件之間傳送數(shù)據(jù)和命令的接 口 (未示出)。 根據(jù)本發(fā)明，主控制單元80可以位于任何適當(dāng)?shù)胤?。盡管在圖4中主控制單元80 被顯示成安裝在軀干單元40中，但它也可以安裝在頭部單元30中?？商娲兀骺刂茊卧?80可以位于腿式移動(dòng)機(jī)器人100的外部并使其與機(jī)器人100進(jìn)行有線或無(wú)線通信。
圖3中的腿式移動(dòng)機(jī)器人100的每個(gè)關(guān)節(jié)即自由度是通過(guò)相應(yīng)致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的。更 具體地說(shuō)，頭部單元30在其中部署了分別代表頸關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸1、頸關(guān)節(jié)俯仰軸2和頸關(guān)節(jié)搖 晃軸3的頸關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸致動(dòng)器A、頸關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A2和頸關(guān)節(jié)搖晃軸致動(dòng)器A3。
此外，軀干單元40在其中部署了分別代表軀干俯仰軸9和軀干搖晃軸10的軀干 俯仰軸致動(dòng)器A9和軀干搖晃軸致動(dòng)器A1Q。此外，臂部單元50R/L細(xì)分為上臂單元51R/L、肘關(guān)節(jié)單元52R/L和前臂單元53R/
12L，并且它已經(jīng)在其中部署了分別代表肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、肩關(guān)節(jié)搖晃軸5、上臂偏轉(zhuǎn)軸6、肘關(guān)節(jié)俯仰軸7和腕關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸8的肩關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器Ap肩關(guān)節(jié)搖晃軸致動(dòng)器A^上臂偏轉(zhuǎn)軸致動(dòng)器Ae、肘關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A7和腕關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸A8。 此外，腿部單元60R/L細(xì)分為大腿單元61R/L、膝關(guān)節(jié)單元62R/L和小腿(第二大腿)單元63R/L，并且它已經(jīng)在其中部署了分別代表臀關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸11、臀關(guān)節(jié)俯仰軸12、臀關(guān)節(jié)搖晃軸13、膝關(guān)節(jié)俯仰軸14、的踝關(guān)節(jié)俯仰軸15和踝關(guān)節(jié)搖晃軸16的臀關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸致動(dòng)器An、臀關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A『臀關(guān)節(jié)搖晃軸致動(dòng)器A『膝關(guān)節(jié)俯仰軸A^、踝關(guān)節(jié)俯仰軸Aw和踝關(guān)節(jié)搖晃軸A『 更可取地，用在關(guān)節(jié)上的致動(dòng)器A" A2、 A3、...每一個(gè)可以由直接與齒輪耦合、含有在一個(gè)芯片中形成的伺服控制系統(tǒng)和內(nèi)置在電機(jī)單元中的小型AC伺服致動(dòng)器(如前所述)形成。 包括頭部單元30、軀干單元40、臂部單元50和腿部單元60的工作單元分別含有控制致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的分控制器35、45、55和65。 機(jī)器人100的軀干40含有配備在上面的加速度傳感器95和姿勢(shì)傳感器96。加速度傳感器95部署在X軸、Y軸和Z軸方向。對(duì)于部署在機(jī)器人100的腰部上的加速度傳感器95，可以將大量移動(dòng)質(zhì)量的臀部或腰部設(shè)置成受控對(duì)象點(diǎn)，直接測(cè)量那個(gè)位置中的機(jī)器人姿勢(shì)和加速度，并且根據(jù)ZMP控制機(jī)器人100處在穩(wěn)定姿勢(shì)上。 此外，腿60R和60L分別含有觸地(touchdown)傳感器91和92和加速度傳感器93和94。觸地傳感器91和92的每一個(gè)由例如附在腳底上的壓力傳感器形成，并且取決于地板反作用力的存在與否，可以檢測(cè)腳底是否接觸到行走表面或地板。此外，加速度傳感器93和94至少部署在X軸、Y軸和Z軸方向。分別配備在左腳和右腳上的加速度傳感器93和94使直接用公式表示與ZMP位置最接近的腳的ZMP方程成為可能。
在加速度傳感器只配備在大量移動(dòng)質(zhì)量的臀部上的情況下，只有臀部(腰部)被設(shè)置成受控對(duì)象點(diǎn)，而腳底的狀態(tài)必須根據(jù)受控對(duì)象點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果相對(duì)地計(jì)算出來(lái)。腳和行走表面之間的關(guān)系應(yīng)該滿足如下條件 (1)即使有任何力和力矩施加在上面，行走表面也決不會(huì)運(yùn)動(dòng)。
(2)行走表面上的平動(dòng)摩擦系數(shù)應(yīng)該足夠大，不會(huì)引起任何滑動(dòng)。
另一方面，在本實(shí)施例中，直接測(cè)量ZMP和力的反作用力系統(tǒng)(地板反作用力傳感器)配備在與行走表面接觸的腳上，并且部署了用于控制目的的局部坐標(biāo)和直接測(cè)量局部坐標(biāo)的加速度傳感器。其結(jié)果是，不取決于上述條件，可以直接用公式表示與ZMP位置最接近的腳的ZMP方程，并且迅速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定姿勢(shì)的更嚴(yán)格控制。因此，即使在當(dāng)有外力和轉(zhuǎn)矩施加在上面時(shí)其表面將移動(dòng)的碎石路、厚層地毯上或在由于沒(méi)有足夠的平動(dòng)摩擦系數(shù)而滑動(dòng)的屋內(nèi)的磚地上，也可以保證機(jī)器人的穩(wěn)定行走(運(yùn)動(dòng))。 主控制單元80可以響應(yīng)來(lái)自傳感器91到93每一個(gè)的輸出，動(dòng)態(tài)地校正控制目標(biāo)。更具體地說(shuō)，主控制單元80自適應(yīng)地控制分控制器35、45、55和65的每一個(gè)，以實(shí)現(xiàn)腿式移動(dòng)機(jī)器人100的上肢、軀干和下肢相互協(xié)作的整體運(yùn)動(dòng)模式。 在機(jī)器人100的整體運(yùn)動(dòng)中，主控制單元80將設(shè)置腳運(yùn)動(dòng)、ZMP(零力矩點(diǎn))軌線、軀干運(yùn)動(dòng)、上肢運(yùn)動(dòng)、臀部高度等和設(shè)置與這些設(shè)置相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)的命令傳送到分控制器35、45、55和65。分控制器35、45、...的每一個(gè)將解釋從主控制器81接收的命令，將驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)器Ap4、A，..的每一個(gè)。這里涉及的"ZMP"是地板或行走表面上沒(méi)有由當(dāng)機(jī)器人100正在行走時(shí)引發(fā)的反作用力引發(fā)的力矩的點(diǎn)。此外，這里涉及的"ZMP軌線"指的是當(dāng)機(jī)器人100正在行走時(shí)ZMP移動(dòng)的軌線。
C.控制腿式移動(dòng)機(jī)器人處于穩(wěn)定姿勢(shì) 接著描述在形成腿上移動(dòng)時(shí)，即在形成腳、臀、軀干和下肢相互協(xié)作的整體移動(dòng)時(shí)，使根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動(dòng)機(jī)器人100的姿勢(shì)達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程。 對(duì)于根據(jù)本實(shí)施例控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)，將ZMP用作穩(wěn)定性判據(jù)。在將ZMP用作穩(wěn)定性判據(jù)使機(jī)器人處在穩(wěn)定姿勢(shì)上的控制中，主要搜索在由腳底接觸的點(diǎn)和行走表面所確定的支撐多邊形的邊上或內(nèi)部沒(méi)有力矩的點(diǎn)。也就是說(shuō)，導(dǎo)出描述施加在機(jī)器人上的力矩之間的平衡關(guān)系的ZMP方程，并且校正機(jī)器人的目標(biāo)軌線，以便消除出現(xiàn)在ZMP方程中的力矩誤差。 根據(jù)本實(shí)施例，將最大程度地移動(dòng)質(zhì)量的、作為機(jī)器人上受控對(duì)象點(diǎn)的點(diǎn)例如臀部(腰部)設(shè)置成局部坐標(biāo)的原點(diǎn)。將諸如加速度傳感器之類的測(cè)量裝置部署在受控對(duì)象點(diǎn)上，以測(cè)量那個(gè)位置上的姿勢(shì)和加速度，從而根據(jù)ZMP控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)。并且，加速度傳感器部署在與行走表面接觸的腳上，以直接測(cè)量用于控制目的的局部坐標(biāo)，從而直接用公式表示與ZMP位置最接近的腳的ZMP方程。
C-1ZMP方程的引入 根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動(dòng)機(jī)器人100是無(wú)限即連續(xù)質(zhì)點(diǎn)的集合。但是，這里請(qǐng)注意，為了減小使姿勢(shì)達(dá)到穩(wěn)定的計(jì)算量，使用由有限個(gè)離散質(zhì)點(diǎn)形成的近似模式。更具體地說(shuō)，由如圖5所示的多個(gè)質(zhì)點(diǎn)形成的近似模式用來(lái)取代具有像如圖3所示的關(guān)節(jié)那樣的多個(gè)自由度的腿式移動(dòng)機(jī)器人100。所示的近似模式是利用多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的線性、無(wú)干擾近似模式。 在圖5中，0-XYZ坐標(biāo)系表示絕對(duì)坐標(biāo)系中的搖晃軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸，并且0' -X' Y' Z'坐標(biāo)系表示與機(jī)器人100—起運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系中的搖晃軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸。但是，應(yīng)該注意到，圖5中的參數(shù)含義如下，帶撇號(hào)的符號(hào)與動(dòng)態(tài)坐標(biāo)有關(guān)。
nih:臀部質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量 ,6:):臀部質(zhì)點(diǎn)的位置矢量 nii:第i質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量 ^':第i質(zhì)點(diǎn)的位置矢量 P呻ZMP的位置矢量 ^&,gy,gj:重力加速度矢量 0' -X' Y' Z':運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)(與機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng))系[OMS] O-XYZ :絕對(duì)坐標(biāo)系 在如圖5所示的多質(zhì)點(diǎn)模型中，"i"是表示第i質(zhì)點(diǎn)的下標(biāo)，"mi"表示第i質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和"r' /'表示第i質(zhì)點(diǎn)的位置矢量(在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系中)。腿式移動(dòng)機(jī)器人100的重心位于臀部(腰部)附近。也就是說(shuō)，臀部是最大程度地移動(dòng)質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)。在圖5中，臀部的質(zhì)量用"1%"表示，臀部的位置矢量(在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系中)用"r' h(r' ta， r' hy， r' J"表示。此外，機(jī)器人100上ZMP的位置矢量用"r' zmDX，r' zniDY，r' z,)"表示。
世界坐標(biāo)系0-XYZ是絕對(duì)坐標(biāo)系，它是不變的。根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動(dòng)機(jī)器人100含有部署在臀和兩條腿的腳上的加速度傳感器93、94和96。臀部、站立腿和世界坐標(biāo)系之間的相應(yīng)位置矢量r,是從來(lái)自這些傳感器的輸出中檢測(cè)到的。另一方面，動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系即局部坐標(biāo)系0-X' Y' Z'與機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng)。 可以說(shuō)，多質(zhì)點(diǎn)模型代表以線狀骨架模型的形式出現(xiàn)的機(jī)器人。正如從圖5中看到的那樣，多質(zhì)點(diǎn)近似模型包括作為質(zhì)點(diǎn)的肩、兩個(gè)肘和兩個(gè)腕、一個(gè)軀干、一個(gè)臀和兩個(gè)腳踝。在不嚴(yán)格多質(zhì)點(diǎn)模型中，力矩用線性方程的形式表示，力矩表達(dá)式與俯仰軸和搖晃軸不相干。 一般說(shuō)來(lái)，可以按如下方式創(chuàng)建多質(zhì)點(diǎn)近似模型
(1)確定整個(gè)機(jī)器人100的質(zhì)量分布。 (2)通過(guò)設(shè)計(jì)者人工輸入或在預(yù)定規(guī)則下的自動(dòng)生成來(lái)設(shè)置質(zhì)點(diǎn)。
(3)為每個(gè)區(qū)域"i"確定重心，并且將重心位置和質(zhì)量mi賦予相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)。
(4)將每個(gè)質(zhì)點(diǎn)mi表示成將質(zhì)點(diǎn)位置巧取作中心、半徑與質(zhì)量正比的球體。
(5)使實(shí)際上相互耦合的質(zhì)點(diǎn)即球體相互耦合。
注意，在圖6中的多質(zhì)點(diǎn)模型中，在基本體即臀部中每個(gè)轉(zhuǎn)角(eta， ehy， ej定
義腿式移動(dòng)機(jī)器人100的姿勢(shì)即搖晃軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸。 機(jī)器人的ZMP方程描述施加在受控對(duì)象點(diǎn)上的力矩之間的平衡關(guān)系。如圖6所示，機(jī)器人用多個(gè)質(zhì)點(diǎn)mi表示，在質(zhì)點(diǎn)被取作受控對(duì)象點(diǎn)的情況下，ZMP方程用于確定施加在受控對(duì)象點(diǎn)mi上的力矩的總和。 通過(guò)世界坐標(biāo)系(0-XYZ)和局部坐標(biāo)系(0' -X' Y' Z')描述的機(jī)器人的ZMP方程分別如下
通過(guò)世界坐標(biāo)系表示的ZMP方程
I] 附,(r, - r呻)x r, + :r - Z m ,
通過(guò)局部坐標(biāo)系表示的ZMP方程
0〃-/ W/de.v 廣 、 _ _ 上面的ZMP方程表明，由施加在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)mi上的加速度分量引發(fā)、有關(guān)ZMP(半徑ri-r，)的力矩的總和、施加在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)nii上的外力矩Mi的總和和由外力Fk引發(fā)、有關(guān)ZMP(第k外力Fk的作用點(diǎn)被取作sk)的力矩的總和相互平衡。 ZMP平衡的方程包括總力矩補(bǔ)償量，即力矩誤差成分T。通過(guò)將力矩誤差抑制成零或預(yù)定允許范圍內(nèi)，使機(jī)器人保持穩(wěn)定姿勢(shì)。換句話說(shuō)，在將ZMP用作穩(wěn)定性判據(jù)的姿勢(shì)穩(wěn)定控制中，對(duì)于力矩誤差為零或小于可接受值的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)(腳運(yùn)動(dòng)和上體組件的軌線)的校正是關(guān)鍵。 由于在本實(shí)施例中加速度傳感器96、93和94配備在臀部、右腳和左腳上，可以利用受控對(duì)象點(diǎn)上的加速度測(cè)量結(jié)果直接和精確地導(dǎo)出ZMP平衡的方程。其結(jié)果是，可以保證迅速地、更嚴(yán)格地控制機(jī)器人處于穩(wěn)定姿勢(shì)。
C-2穩(wěn)定姿勢(shì)的整體協(xié)作控制 圖7示出了在創(chuàng)建腿式移動(dòng)機(jī)器人100的穩(wěn)定行走運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所作的操作的流
15程。但是，在如下的描述中，利用如圖5和6所示的線性、無(wú)干擾多質(zhì)點(diǎn)近似模型描述腿式移動(dòng)機(jī)器人100的關(guān)節(jié)位置和運(yùn)動(dòng)。 首先，設(shè)置腳運(yùn)動(dòng)(在步驟Sl中)。腳運(yùn)動(dòng)是有關(guān)兩個(gè)或多個(gè)機(jī)器人停頓之間的時(shí)序連接的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括例如代表腳的每個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化的關(guān)節(jié)空間信息和代表關(guān)節(jié)位置的笛卡爾空間信息。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以通過(guò)控制臺(tái)顯示屏幕上的屏幕觸摸輸入或通過(guò)直接教授機(jī)器人例如運(yùn)動(dòng)編輯創(chuàng)作系統(tǒng)來(lái)形成。 接著，根據(jù)設(shè)置的腳運(yùn)動(dòng)計(jì)算ZMP穩(wěn)定區(qū)(在步驟S2中)。ZMP是施加在機(jī)器人上的力矩是零的點(diǎn)，它基本上存在于由腳底接觸的點(diǎn)和行走表面確定的支撐多邊形的邊上或內(nèi)部。ZMP穩(wěn)定區(qū)是設(shè)置在支撐多邊形的內(nèi)部，離邊較遠(yuǎn)的位置處的區(qū)域，通過(guò)使ZMP處在該區(qū)域中，可以將機(jī)器人設(shè)置在高穩(wěn)定狀態(tài)上。 然后，根據(jù)腳運(yùn)動(dòng)和ZMP穩(wěn)定區(qū)設(shè)置腳運(yùn)動(dòng)的ZMP軌線(在步驟S3中)。 此外，為諸如臀、軀干、上肢、頭這樣的機(jī)器人的上半部的一組點(diǎn)(臀關(guān)節(jié)以上)設(shè)
置ZMP軌線(在步驟Sll中)。 為組件組的每一個(gè)設(shè)置所需軌線(在步驟S12中)。與對(duì)腳的軌線設(shè)置相似，機(jī)器人的上半部的軌線設(shè)置可以通過(guò)控制臺(tái)顯示屏幕上的屏幕觸摸輸入或通過(guò)直接教授機(jī)器人例如運(yùn)動(dòng)編輯創(chuàng)作系統(tǒng)來(lái)完成。 接著，對(duì)每個(gè)點(diǎn)的軌線設(shè)置作出調(diào)整(重新分組)(在步驟S13中)，并且為了軌線設(shè)置，而將優(yōu)先順序賦予重新分組的點(diǎn)(在步驟S14中)。 這里涉及的"優(yōu)先順序"是為了控制機(jī)器人處于穩(wěn)定姿勢(shì)，而處理機(jī)器人的那些點(diǎn)的順序。例如，在這些點(diǎn)中，以質(zhì)量移動(dòng)量的比較順序分配優(yōu)先級(jí)。其結(jié)果是，所需軌線的優(yōu)先級(jí)指定組由機(jī)器人的上半部分上的點(diǎn)組成。與機(jī)器人姿勢(shì)相對(duì)應(yīng)，在目標(biāo)軌線之間可以改變優(yōu)先順序。 此外，為機(jī)器人的上半部的點(diǎn)的每個(gè)組計(jì)算可用于力矩補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量(在步驟S15中)。 然后，根據(jù)腳運(yùn)動(dòng)、ZMP軌線和機(jī)器人的上半部上的點(diǎn)的每個(gè)組的一組所需軌線，以在步驟S14中設(shè)置的優(yōu)先順序?qū)C(jī)器人點(diǎn)的每個(gè)組的運(yùn)動(dòng)模式放入姿勢(shì)穩(wěn)定化操作中。
在姿勢(shì)穩(wěn)定化操作中，首先，將初始值1放入處理變量"i"的位置中(在步驟S20中)。然后，計(jì)算目標(biāo)ZMP上的力矩量，即要用于為其優(yōu)先順序從最高到第i的那些點(diǎn)的那些組設(shè)置目標(biāo)軌線的總力矩補(bǔ)償量(在步驟S21中)。所需軌線用于沒(méi)有為其計(jì)算目標(biāo)軌線的點(diǎn)。 接著，借助于可用于在步驟S15中已經(jīng)為其計(jì)算了力矩量的點(diǎn)的力矩補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量，為該點(diǎn)設(shè)置(在步驟S22中)和計(jì)算(在步驟S23中)力矩補(bǔ)償量。
接著，借助于為第i點(diǎn)計(jì)算的力矩補(bǔ)償量，為第i點(diǎn)導(dǎo)出ZMP方程(在步驟S24中)，并且為那個(gè)點(diǎn)計(jì)算力矩補(bǔ)償量(在步驟S25中)，從而使為其優(yōu)先順序從最高到第i的那些點(diǎn)提供目標(biāo)軌線成為可能。 通過(guò)對(duì)所有的點(diǎn)組進(jìn)行上面的操作，可以生成穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)(例如，行走)的整體運(yùn)動(dòng)模式。也就是說(shuō)，通過(guò)根據(jù)ZMP方程(或后面將詳細(xì)描述的動(dòng)力學(xué)方程)的解和指定給每個(gè)點(diǎn)的優(yōu)先順序，校正所有或一部分目標(biāo)軌線，生成整體運(yùn)動(dòng)模式。
在像圖7中那樣生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式的過(guò)程中，首先，設(shè)置腳運(yùn)動(dòng)，以便計(jì)算設(shè)置 ZMP軌線的穩(wěn)定區(qū)，然后，為機(jī)器人的上半部上的點(diǎn)設(shè)置所需軌線的優(yōu)先順序。但是，機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)模式可以以任何其它方式生成。例如，可以首先設(shè)置機(jī)器人的上半部上的點(diǎn)的所需軌 線的優(yōu)先順序，然后，可以完成ZMP穩(wěn)定區(qū)計(jì)算和ZMP軌線設(shè)置。在前一種情況下，根據(jù)事 先已經(jīng)設(shè)置的ZMP，所需軌線的優(yōu)先順序是針對(duì)機(jī)器人的上半部上的點(diǎn)的。但是，在后一種 情況下，計(jì)算穩(wěn)定區(qū)和設(shè)置ZMP軌線以保持事先已經(jīng)設(shè)置得、機(jī)器人的上半部上的每個(gè)點(diǎn) 的所需軌線。 圖8示出了在首先設(shè)置機(jī)器人的上半部上的每個(gè)點(diǎn)的優(yōu)先順序之后，通過(guò)計(jì)算 ZMP穩(wěn)定區(qū)和設(shè)置ZMP軌線生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中所作的操作的流程。
首先，為諸如臀、軀干、上肢、頭之類的機(jī)器人的上半部的一組點(diǎn)(臀關(guān)節(jié)以上)設(shè) 置ZMP軌線(在步驟S31中)。 為組件組的每一個(gè)設(shè)置所需軌線(在步驟S32中)。與對(duì)腳的軌線設(shè)置相似，機(jī)器 人的上半部的軌線設(shè)置可以通過(guò)控制臺(tái)顯示屏幕上的屏幕觸摸輸入或通過(guò)直接教授機(jī)器 人例如運(yùn)動(dòng)編輯創(chuàng)作系統(tǒng)來(lái)完成。 接著，對(duì)每個(gè)點(diǎn)的軌線設(shè)置作出調(diào)整(重新分組)(在步驟S33中)，并且為了軌線 設(shè)置，將優(yōu)先順序賦予重新分組點(diǎn)(在步驟S34中)。 這里涉及的"優(yōu)先順序"是為了控制機(jī)器人處于穩(wěn)定姿勢(shì)，處理機(jī)器人的那些點(diǎn)的 順序。例如，在這些點(diǎn)中，以整體運(yùn)動(dòng)量可比的順序分配優(yōu)先級(jí)。其結(jié)果是，所需軌線的優(yōu) 先級(jí)指定組由機(jī)器人的上半部分上的點(diǎn)組成。與機(jī)器人姿勢(shì)相對(duì)應(yīng)，在目標(biāo)軌線之間可以 改變優(yōu)先順序。 接著，根據(jù)指定給為機(jī)器人的上半部上的點(diǎn)設(shè)置的所需軌線的優(yōu)先順序，計(jì)算ZMP 穩(wěn)定區(qū)(在步驟S35中)。然后，根據(jù)ZMP穩(wěn)定區(qū)設(shè)置腳運(yùn)動(dòng)的ZMP軌線(在步驟S36中)。
此外，為機(jī)器人的上半部的點(diǎn)的每個(gè)組計(jì)算可用于力矩補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量(在步驟S45 中)。 然后，根據(jù)機(jī)器人的上半部上的點(diǎn)的每個(gè)組的一組所需軌線，以在步驟S34中設(shè)
置的優(yōu)先順序?qū)C(jī)器人點(diǎn)的每個(gè)組的運(yùn)動(dòng)模式放入姿勢(shì)穩(wěn)定化操作中。 在姿勢(shì)穩(wěn)定化操作中，首先，將初始值1放入處理變量"i"的位置中(在步驟S37
中)。然后，計(jì)算目標(biāo)ZMP上的力矩量，即要用于為其優(yōu)先順序從最高到第i的那些點(diǎn)的那
些組設(shè)置目標(biāo)軌線的總力矩補(bǔ)償量(在步驟S38中)。所需軌線用于沒(méi)有為其計(jì)算目標(biāo)軌
線的點(diǎn)。 接著，借助于可用于在步驟S45中已經(jīng)為其計(jì)算了力矩量的點(diǎn)的力矩補(bǔ)償?shù)馁|(zhì) 量，為該點(diǎn)設(shè)置(在步驟S39中)和計(jì)算(在步驟S40中)力矩補(bǔ)償量。
接著，借助于為第i點(diǎn)計(jì)算的力矩補(bǔ)償量，為第i點(diǎn)導(dǎo)出ZMP方程(在步驟S41 中)，并且為那個(gè)點(diǎn)計(jì)算力矩補(bǔ)償量(在步驟S42中)，從而使為其優(yōu)先順序從最高到第i 的那些點(diǎn)提供目標(biāo)軌線成為可能。 現(xiàn)在描述如何像圖7的流程圖的步驟S14中那樣，設(shè)置所需軌線的優(yōu)先順序。
在總力矩補(bǔ)償量是Q [Nm]和可用于區(qū)域"i"的力矩補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量是Mi[N] (i = 1， 2，3，...n)的假設(shè)下，區(qū)域"i"的力矩補(bǔ)償量是ciiXQ[Nm]，其中，"i"是絕對(duì)力矩補(bǔ)償量 系數(shù)，利用相對(duì)力矩補(bǔ)償量系數(shù)P i將其表示如下'' t風(fēng)其中，Ja,^.0 補(bǔ)償量系數(shù)相對(duì)于零的偏差越大，所需軌線的優(yōu)先順序就越低。優(yōu)先順序朝正面 方向變化有助于更穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，而朝負(fù)面方向變化導(dǎo)致更低的穩(wěn)定性。 下面針對(duì)具體例子描述如何為機(jī)器人的上半部上的點(diǎn)設(shè)置所需軌線的優(yōu)先順序。
對(duì)于如圖9所示的、人用手推動(dòng)手推車的運(yùn)動(dòng)模式，將手軌線的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為較 高。作為優(yōu)先級(jí)設(shè)置的一個(gè)例子，將手運(yùn)動(dòng)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置成a =0.0，而將其余的總優(yōu)先級(jí) 設(shè)置成d二 1.0。 對(duì)于如圖10所示的、人用兩只手?jǐn)[動(dòng)握住的高爾夫球棍(或棒球棍)的運(yùn)動(dòng)模 式，以手和腳的順序設(shè)置優(yōu)先級(jí)。作為優(yōu)先級(jí)設(shè)置的一個(gè)例子，手的優(yōu)先級(jí)是a =0.0，腳 的優(yōu)先級(jí)是a = 0. l，其余的總優(yōu)先級(jí)是a = 0. 9。 在如圖11所示的、作為器械體操的鞍馬的運(yùn)動(dòng)模式中，重點(diǎn)在于僅僅用手支撐身 體和腿的姿勢(shì)。因此，給予手軌線以及軀干和下肢組合的軌線以較高優(yōu)先級(jí)。作為優(yōu)先級(jí) 設(shè)置的一個(gè)例子，手的優(yōu)先級(jí)是a =0.0，軀干和下肢(肩的軌線)的優(yōu)先級(jí)是a =0.0， 其余的總優(yōu)先級(jí)是a =1.0。 在如圖12所示的、服務(wù)員攜帶著放在托盤上的酒瓶和玻璃杯等平穩(wěn)地行走的運(yùn) 動(dòng)模式中，按降序?yàn)槭?、軀干、臀部和腳設(shè)置優(yōu)先級(jí)。 在如圖13所示的、像手倒立那樣的運(yùn)動(dòng)模式中，兩只手支撐著整個(gè)身體使姿勢(shì)保 持穩(wěn)定。按降序?yàn)槭?、軀干和臀部設(shè)置優(yōu)先級(jí)。作為優(yōu)先級(jí)設(shè)置的一個(gè)例子，手的優(yōu)先級(jí)是 a = O.O，軀干的優(yōu)先級(jí)是a = 0.2，臀部的優(yōu)先級(jí)是a = 0. 3，其余的總優(yōu)先級(jí)是d = 0. 5。 在如圖14所示的、表演者用他的前額平衡地頂著棒的下端和棒的上端托著上面 放著數(shù)個(gè)玻璃杯的托盤的運(yùn)動(dòng)模式中，為開(kāi)始移動(dòng)表演者頭部設(shè)置較高優(yōu)先級(jí)。作為優(yōu)先 級(jí)設(shè)置的一個(gè)例子，軀干的優(yōu)先級(jí)是a =0.0，其余的總優(yōu)先級(jí)是a =1.0。
在如圖15所示的、在一邊支撐著數(shù)個(gè)呼啦圈一邊使它們繞臀部和軀干旋轉(zhuǎn)的運(yùn) 動(dòng)模式中，為軀干設(shè)置較高。作為優(yōu)先級(jí)設(shè)置的一個(gè)例子，軀干的優(yōu)先級(jí)是a =0.0，其余 的總優(yōu)先級(jí)是a =1.0。 在如圖16所示的、像運(yùn)動(dòng)員帶著一根長(zhǎng)桿助跑和跳過(guò)設(shè)置在某個(gè)高度上的橫桿 的撐桿跳高那樣的運(yùn)動(dòng)模式中，下肢、臀部、軀干和上肢的優(yōu)先級(jí)隨時(shí)間而變化。作為優(yōu)先 級(jí)設(shè)置的一個(gè)例子，在最初階段，腳的優(yōu)先級(jí)是a =0.0，在中間階段，臀部和軀干的優(yōu)先 級(jí)是a =0.0，而在最后階段，上肢的優(yōu)先級(jí)是a =0.0。在每個(gè)階段中，其余的總優(yōu)先級(jí) 是a = 1. 0。 在如圖17所示的、像利用絲帶的韻律操、踩球術(shù)或芭蕾舞那樣的運(yùn)動(dòng)模式中，一 樣高地設(shè)置所有點(diǎn)的軌線的優(yōu)先級(jí)。作為優(yōu)先級(jí)設(shè)置的一個(gè)例子，為所有點(diǎn)共同設(shè)置優(yōu)先 級(jí)，總優(yōu)先級(jí)是a =1.0。 在如圖18所示的、像張開(kāi)雙手或利用雨傘在鋼絲上行走那樣的運(yùn)動(dòng)模式中，按降 序?yàn)槟_、上肢和軀干設(shè)置優(yōu)先級(jí)。作為優(yōu)先級(jí)設(shè)置的一個(gè)例子，腳的優(yōu)先級(jí)是a =0.0，上 肢和軀干的優(yōu)先級(jí)是a = 0. l，其余的總優(yōu)先級(jí)是a = 0. 9。
在如圖19所示的、像行走在沿著正在建造的建筑物的外墻安裝的腳手架上那樣 的運(yùn)動(dòng)模式中，按降序?yàn)樯现?、軀干和腳設(shè)置優(yōu)先級(jí)。作為優(yōu)先級(jí)設(shè)置的一個(gè)例子，上肢和 軀干的優(yōu)先級(jí)是a = 0. l，腳的優(yōu)先級(jí)是a = 0. 2，其余的總優(yōu)先級(jí)是a = 0. 7。
D.對(duì)機(jī)械硬件的形變加以考慮的運(yùn)動(dòng)控制 傳統(tǒng)腿式移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人基于動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)是基于當(dāng)有外力和力矩施加在 上面時(shí)機(jī)器人的形變非常小，對(duì)于整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可忽略不計(jì)的假設(shè)的。也就是說(shuō)，由于 傳統(tǒng)機(jī)器人和它的計(jì)算基于機(jī)器人關(guān)節(jié)之間的距離不發(fā)生改變的假設(shè)，對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)的 每個(gè)單元， 一個(gè)狀態(tài)傳感器就足夠了 。 但是，當(dāng)企圖提供能夠以連續(xù)的和正面的方式進(jìn)行諸如奔跑和加速之類的運(yùn)動(dòng)， 且因此具有高動(dòng)力學(xué)水平的機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人需要甚至利用機(jī)械硬件本身的形變的減震功 能和具有快速地實(shí)時(shí)求解更高級(jí)方程的功能。 由于這個(gè)原因，這里將提出不基于機(jī)器人關(guān)節(jié)之間的距離不發(fā)生改變的假設(shè)的傳 感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和利用傳感器系統(tǒng)的分布式高速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 請(qǐng)注意，這里采用了如下定義(參閱"機(jī)械動(dòng)力學(xué)(Dynamics o預(yù)echanics)"， Japan Society of Mechanical Engineering, 0hm_sha， pp. 31_33， March 25， 1991):
平動(dòng)慣性力=_(重量/重力加速度)X加速度
轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩=_(最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量X角加速度)
最大慣性矩繞旋轉(zhuǎn)軸的慣性矩 根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動(dòng)機(jī)器人使用ZMP(零力矩點(diǎn))作為穩(wěn)定性判據(jù)?；赯MP 的穩(wěn)定性判據(jù)是這樣的，系統(tǒng)形成適當(dāng)?shù)腪MP空間，當(dāng)ZMP存在于支撐多邊形內(nèi)時(shí)，在系統(tǒng) 中不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，因此，不必求解任何轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。但是，應(yīng)該注意到， 在沒(méi)有ZMP存在于支撐多邊形內(nèi)的情況下，或在周圍沒(méi)有支撐作用點(diǎn)存在的情況下，取代 ZMP方程，必須求解動(dòng)力學(xué)方程。 機(jī)器人的ZMP方程是施加在受控對(duì)象點(diǎn)上的力矩之間的平衡關(guān)系的描述。機(jī)器人 用多個(gè)質(zhì)點(diǎn)mi表示，在將質(zhì)點(diǎn)取作受控對(duì)象點(diǎn)的情況下，ZMP方程用于確定施加在受控對(duì)象 點(diǎn)mi上的力矩的總和。 通過(guò)機(jī)器人的世界坐標(biāo)系(0-XYZ)和局部坐標(biāo)系(0' -X' Y' Z')描述的平衡 的ZMP方程分別如下 通過(guò)世界坐標(biāo)系表示的ZMP方程<formula>formula see original document page 19</formula>

通過(guò)局部坐標(biāo)系表示的ZMP方程
<formula>formula see original document page 19</formula>
r=r+2 上面的ZMP方程表明，由施加在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)(或控制點(diǎn))mi上的加速度分量引發(fā)的、 有關(guān)ZMP(半徑ri-r，)的力矩的總和、施加在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)mi上的外力矩Mi的總和以及由外力 Fk引發(fā)的、有關(guān)ZMP(第k外力Fk的作用點(diǎn)被取作sk)的力矩的總和相互平衡。
ZMP平衡的方程包括總力矩補(bǔ)償量即力矩誤差成分T。通過(guò)將力矩誤差抑制成零 或預(yù)定允許范圍內(nèi)，使機(jī)器人保持在穩(wěn)定姿勢(shì)上。換句話說(shuō)，在將ZMP用作穩(wěn)定性判據(jù)的姿 勢(shì)穩(wěn)定控制中，對(duì)于力矩誤差為零或小于可接受值，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)(腳運(yùn)動(dòng)和上體各組件的 軌線)的校正是關(guān)鍵。 在根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動(dòng)機(jī)器人中，直接測(cè)量ZMP和力的反作用力傳感器系統(tǒng) 部署在與環(huán)境直接接觸的點(diǎn)上，用于運(yùn)動(dòng)控制的局部坐標(biāo)和直接測(cè)量局部坐標(biāo)的加速度傳 感器和角速度傳感器得到部署，并且加速度傳感器和姿勢(shì)傳感器配備在用于計(jì)算模型中的 每個(gè)矢量位置上，從而允許直接測(cè)量引入ZMP方程(或動(dòng)力學(xué)方程)所需的控制參數(shù)。因 此，不用假設(shè)機(jī)器人足夠剛性，施加了任何外力都不會(huì)變形，就可以以更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格 的運(yùn)動(dòng)控制。 根據(jù)本實(shí)施例，反作用力傳感器系統(tǒng)像如下通過(guò)舉例描述的那樣得到部署
(1)加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在質(zhì)量集中的點(diǎn)附近。
(2)加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在每條連桿的重心附近。
(3)加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在每個(gè)致動(dòng)器的重心附 近。 (4)加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在每個(gè)致動(dòng)器的重心和 每條連桿除了致動(dòng)器之外的重心附近。 (5)加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在每個(gè)致動(dòng)器的重心、電 池的重心和每條連桿除了致動(dòng)器和電池之外的重心附近。 在上面的例子(1)中，隨著質(zhì)量集中的點(diǎn)被取作控制點(diǎn)，在每個(gè)控制點(diǎn)上直接測(cè)
量施加在每個(gè)控制點(diǎn)上的加速度分量，因此，可以在每個(gè)點(diǎn)上直接計(jì)算如此生成的、有關(guān)
ZMP的力矩項(xiàng)、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項(xiàng)和由于施加在控制點(diǎn)上的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP
的力矩項(xiàng)。在主控制單元中依次求和從控制點(diǎn)收集的力矩項(xiàng)，從而允許直接引入平衡的更
嚴(yán)格ZMP方程。此外，由于在每個(gè)控制點(diǎn)上直接測(cè)量力矩項(xiàng)，因此，不用假設(shè)機(jī)器人足夠剛
性，施加了任何外力都不會(huì)變形，就可以以更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)控制。 這里涉及的"質(zhì)量集中的點(diǎn)"指的是電池的重心、控制單元的重心、連桿的重心、致
動(dòng)器的重心、關(guān)節(jié)軸和其它質(zhì)量集中的地方。圖20示出了安裝在腿式移動(dòng)機(jī)器人上質(zhì)量集
中的點(diǎn)上的加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器。如圖所示，外力傳感器和外力
矩傳感器安裝在作為與環(huán)境的主要接觸點(diǎn)的手掌和腳底上。 此外，在上面的例子(2)中，隨著與關(guān)節(jié)耦合的每條連桿附近的點(diǎn)被取作控制點(diǎn)， 在每個(gè)控制點(diǎn)上直接測(cè)量施加在每個(gè)控制點(diǎn)上的加速度分量，因此，可以在每個(gè)點(diǎn)上直接 計(jì)算如此生成的、有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項(xiàng)和由于施加在控制點(diǎn)上 的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)。在主控制單元中依次求和從控制點(diǎn)收集的力矩項(xiàng)，從而 允許直接引入平衡的更嚴(yán)格ZMP方程。此外，由于在每個(gè)控制點(diǎn)上直接測(cè)量力矩項(xiàng)，因此， 不用假設(shè)機(jī)器人足夠剛性，施加了任何外力都不會(huì)變形，就可以以更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)控制。 圖21示出了安裝在腿式移動(dòng)機(jī)器人的每條連桿的重心附近上的點(diǎn)的加速度傳感 器、角加速度傳感器和角速度傳感器。如圖所示，外力傳感器和外力矩傳感器安裝在作為與 環(huán)境的主要接觸點(diǎn)的手掌和腳底上。 此外，在上面的例子(3)中，隨著作為機(jī)器人上質(zhì)量集中的主要點(diǎn)的每個(gè)致動(dòng)器 附近的點(diǎn)被取作控制點(diǎn)，在每個(gè)控制點(diǎn)上直接測(cè)量施加在每個(gè)控制點(diǎn)上的加速度分量，因 此，可以在每個(gè)點(diǎn)上直接計(jì)算如此生成的、有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項(xiàng) 和由于施加在控制點(diǎn)上的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)。在主控制單元中依次求和從控 制點(diǎn)收集的力矩項(xiàng)，從而允許直接引入平衡的更嚴(yán)格ZMP方程。此外，由于在每個(gè)控制點(diǎn)上 直接測(cè)量力矩項(xiàng)，因此，不用假設(shè)機(jī)器人足夠剛性，施加了任何外力都不會(huì)變形，就可以以 更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)控制。 圖22示出了安裝在腿式移動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)致動(dòng)器的重心附近的點(diǎn)上的加速度傳 感器、角加速度傳感器和角速度傳感器。如圖所示，外力傳感器和外力矩傳感器安裝在作為 與環(huán)境的主要接觸點(diǎn)的手掌和腳底上。 注意，在上面(1)到(5)中舉例說(shuō)明的分布式反作用力傳感器系統(tǒng)可以根據(jù)來(lái)自 位于每個(gè)控制點(diǎn)的加速度傳感器的信息，測(cè)量實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心。因此，與根據(jù)有關(guān)機(jī)器人的設(shè) 計(jì)信息可以唯一地確定重心的傳統(tǒng)情況不同，即使任何外力使機(jī)器人的連桿變形，也可以 動(dòng)態(tài)地計(jì)算更精確的重心位置。 圖23示出了在根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中所作的操作的 流程。 首先，將腿式移動(dòng)機(jī)器人確定為要檢驗(yàn)其姿勢(shì)穩(wěn)定性的(在步驟S51中)。可以參 照機(jī)器人上的支撐多邊形判斷ZMP位置是否在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。 在ZMP在支撐多邊形內(nèi)的情況下，在系統(tǒng)中不會(huì)發(fā)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，沒(méi)有必要 求解有關(guān)任何轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。然后，操作轉(zhuǎn)移到步驟S52，在步驟S52中，利用 由系統(tǒng)形成的適當(dāng)ZMP空間求解ZMP方程，從而控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)(后面將詳細(xì)描 述)。 另一方面，在沒(méi)有ZMP在支撐多邊形內(nèi)的情況下或者在環(huán)境沒(méi)有支撐作用點(diǎn)的情 況下，取代ZMP方程，求解動(dòng)力學(xué)方程(在步驟S53中)，以控制姿勢(shì)穩(wěn)定性。
注意，在將高優(yōu)先級(jí)統(tǒng)一賦予所有點(diǎn)的軌線的情況下，例如，在包括跳躍的舞蹈 中，在一些情況下求解ZMP方程和動(dòng)力學(xué)方程兩者。 圖24示出了像步驟S52中那樣，在根據(jù)ZMP方程的解控制機(jī)器人穩(wěn)定性的過(guò)程中 所作的操作的流程。 首先，根據(jù)來(lái)自加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器的信息測(cè)量ZMP 或測(cè)量重心(在步驟S61中)，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器配備在像 質(zhì)量集中的點(diǎn)、每條連桿的重心附近的點(diǎn)和每個(gè)致動(dòng)器的重心附近的點(diǎn)那樣的每個(gè)控制點(diǎn) 上。當(dāng)機(jī)器人在施加的外力的作用下發(fā)生變形時(shí)，有必要根據(jù)加速度傳感器所作的度量動(dòng) 態(tài)地測(cè)量重心。 接著，在由步驟S62到S69形成的處理回路中，根據(jù)來(lái)自配備在每個(gè)控制點(diǎn)上的傳 感器的信息，直接計(jì)算每個(gè)控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)、施加在控制點(diǎn)上的外力矩和由于施加在控制點(diǎn)上的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩。首先對(duì)ZMP或重心附近的點(diǎn)上的力矩
加以計(jì)算。 一個(gè)接一個(gè)地加這些力矩項(xiàng)，以確定它們的總和。 其結(jié)果是，可以利用ZMP方程計(jì)算力矩誤差T(在步驟S70中)。 接著，隨著被識(shí)別為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的狀態(tài)的外力矩被取作初始值，重新計(jì)劃ZMP軌
線或重心的旋轉(zhuǎn)軌線和每個(gè)點(diǎn)的軌線(在步驟S71中)。 然后，以根據(jù)重新計(jì)劃的結(jié)果將目標(biāo)值發(fā)送到致動(dòng)器系統(tǒng)組來(lái)結(jié)束這個(gè)處理例 程。 注意，盡管如圖24所示的過(guò)程包括計(jì)算在一系列第i控制點(diǎn)上引發(fā)的力矩的操 作，計(jì)算施加在一系列第j控制點(diǎn)上的外力矩的操作和計(jì)算由于一系列第k控制點(diǎn)上的外 力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩的操作，并且串行地進(jìn)行對(duì)第i、第j和第k點(diǎn)系列的操作，但是， 也可以并行地實(shí)現(xiàn)這些操作(如后面詳細(xì)描述的那樣)。 圖25示出了在步驟53中，在根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程的解控制機(jī)器人穩(wěn)定性的過(guò)程中所 作的操作的流程。 首先，測(cè)量地板反作用力Fr(在步驟S81中)。 接著，在由步驟S82到S89形成的處理回路中，根據(jù)來(lái)自配備在每個(gè)控制點(diǎn)上的傳 感器的信息，直接計(jì)算施加在每個(gè)控制點(diǎn)上的平動(dòng)力、由于有關(guān)ZMP的力矩施加的平動(dòng)力 和外力。首先對(duì)ZMP或重心附近的點(diǎn)上的力矩加以計(jì)算。 一個(gè)接一個(gè)地加這些平動(dòng)力，以 確定它們的總和。 其結(jié)果是，可以按照達(dá)朗伯爾原理計(jì)算未知外力F(在步驟S90中)。 接著，隨著被識(shí)別為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的信息量的未知外力F被取作初始值，重新計(jì)劃
ZMP軌線或重心的旋轉(zhuǎn)軌線和每個(gè)點(diǎn)的軌線(在步驟S91中)。 然后，以根據(jù)重新計(jì)劃的結(jié)果將目標(biāo)值發(fā)送到致動(dòng)器系統(tǒng)組來(lái)結(jié)束這個(gè)處理例 程。 注意，盡管如圖25所示的過(guò)程包括計(jì)算在第i控制點(diǎn)上引發(fā)的平動(dòng)力的操作、計(jì) 算由于第j控制點(diǎn)上的外力矩引發(fā)的平動(dòng)力的操作和計(jì)算施加在第k控制點(diǎn)上的外力的操 作，并且串行地進(jìn)行對(duì)第i、第j和第k點(diǎn)的操作，但是，也可以并行地實(shí)現(xiàn)這些操作(如后 面詳細(xì)描述的那樣)。 接著，在由如圖24所示的步驟S62到S69形成的處理回路中，根據(jù)來(lái)自配備在控 制點(diǎn)上的傳感器的信息，直接計(jì)算每個(gè)控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)、施加在控制點(diǎn)上的 外力矩項(xiàng)和由于施加在控制點(diǎn)上的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩。首先對(duì)ZMP或重心附近的 點(diǎn)上的力矩加以計(jì)算。 一個(gè)接一個(gè)地加這些力矩項(xiàng)，以確定它們的總和，從而允許引入ZMP方程。 類似地，在由如圖25所示的步驟S82到S89形成的處理回路中，根據(jù)來(lái)自配備在
每個(gè)控制點(diǎn)上的傳感器的信息，直接計(jì)算施加在每個(gè)控制點(diǎn)上的平動(dòng)力、由于有關(guān)ZMP的
力矩而施加的平動(dòng)力和外力。首先對(duì)ZMP或重心附近的點(diǎn)上的力矩加以計(jì)算。 一個(gè)接一個(gè)
地加這些平動(dòng)力，以確定它們的總和，從而允許引入有關(guān)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。 正如上面參照?qǐng)D20到22所述的那樣，根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動(dòng)機(jī)器人包括用于
姿勢(shì)控制的局部坐標(biāo)和部署在每個(gè)控制點(diǎn)上直接測(cè)量局部坐標(biāo)的加速度傳感器和角速度
傳感器，以及部署在用于計(jì)算模型中的每個(gè)矢量位置上的加速度傳感器和姿勢(shì)傳感器。也就是說(shuō)，機(jī)器人被構(gòu)造成直接測(cè)量引入ZMP方程(或動(dòng)力學(xué)方程)所需的控制參數(shù)值。
在分布在機(jī)器人上的傳感器相互串聯(lián)的情況下，針對(duì)沿著連接路線的每個(gè)控制 點(diǎn)，一個(gè)接一個(gè)地加根據(jù)來(lái)自每個(gè)控制點(diǎn)上的傳感器的信息計(jì)算的力矩項(xiàng)和外力項(xiàng)。因此， 可以有效地計(jì)算出力矩和外力的總和。 像前面已經(jīng)描述過(guò)的那樣，圖22示出了安裝在腿式移動(dòng)機(jī)器人上的每個(gè)致動(dòng)器 的重心附近上的加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器。圖26示出了傳感器相互 串聯(lián)的例子。 如圖26所示，配備在左右上肢和左右下肢上的傳感器相互獨(dú)立和相互串聯(lián)，以便 主控制單元成為傳感器的始點(diǎn)和終點(diǎn)兩者。在這樣的情況下，一個(gè)接一個(gè)地加根據(jù)控制點(diǎn) 上的傳感器信息進(jìn)行的計(jì)算的結(jié)果，并且使數(shù)據(jù)返回到相加它們的主控制單元。在這種計(jì) 算中，可以引入方程。 圖27示出了傳感器相互串聯(lián)的另一個(gè)例子。在如圖27所示的這個(gè)例子中，部署 在機(jī)器人上的傳感器連接成一行，以便主控制單元成為傳感器的始點(diǎn)和終點(diǎn)兩者。由于這 種連線，對(duì)于每個(gè)控制點(diǎn)，一個(gè)接一個(gè)地加根據(jù)來(lái)自每個(gè)控制點(diǎn)的傳感器信息進(jìn)行的計(jì)算 的結(jié)果。當(dāng)數(shù)據(jù)返回到中央控制單元時(shí)，已經(jīng)確定出每個(gè)項(xiàng)的總和。因此，主控制單元可以 容易地引入方程。 此外，用于控制目的的局部坐標(biāo)和直接測(cè)量局部坐標(biāo)的加速度傳感器和角速度傳 感器配備在每個(gè)控制點(diǎn)上，另外，加速度傳感器和姿勢(shì)傳感器部署在用于計(jì)算模型中的每 個(gè)矢量位置上。已經(jīng)利用加速度、角加速度和角速度傳感器安裝在質(zhì)量集中的每個(gè)致動(dòng)器 的重心附近的例子對(duì)此作了例示和描述。 圖28示出了含有安裝在致動(dòng)器單元的中心附近的加速度、角加速度和角速度傳 感器的關(guān)節(jié)致動(dòng)器的示范性結(jié)構(gòu)。 如圖28所示的關(guān)節(jié)致動(dòng)器包括由轉(zhuǎn)子磁體和定子組成的電機(jī)、加速和減速電機(jī) 的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的齒輪單元(GU)和控制將電源供應(yīng)給電機(jī)的控制器，其中定子由具有數(shù)個(gè)相 的磁線圈形成。 控制單元由例如印刷線路板組成，并且含有安裝在它的中心附近的傳感器單元。
傳感器單元部署在致動(dòng)器單元的二維重心附近。 傳感器單元包括1-軸到3-軸加速度傳感器、1-軸和2-軸角速度傳感器和3-軸 角速度傳感器的組合。 圖29示意性地例示了關(guān)節(jié)致動(dòng)器的功能結(jié)構(gòu)。如圖所示，用標(biāo)號(hào)10表示的致動(dòng) 器包括接口 11、命令處理器12、電機(jī)控制器13和傳感器信號(hào)處理器14。
接口 11實(shí)現(xiàn)與主控制器相關(guān)的接口協(xié)議。 命令處理器12處理通過(guò)接口 11接收的主命令并將它發(fā)送到電機(jī)控制器13，或者 計(jì)算來(lái)自傳感器信息處理器14的傳感器信息和通過(guò)接口 11將它返回給主控制器。
電機(jī)控制器13通過(guò)P麗(脈寬調(diào)制)，將電流信號(hào)供應(yīng)給電機(jī)線圈15，以實(shí)現(xiàn)遵從 主命令的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且從檢測(cè)轉(zhuǎn)子(未示出)的旋轉(zhuǎn)位置的傳感器16中獲取角度信息。
傳感器信息處理器14處理來(lái)自包括在傳感器單元中的加速度傳感器(X到Y(jié))和 陀螺儀傳感器(俯仰、搖晃和擺動(dòng))的傳感器信息。 根據(jù)本實(shí)施例，可以根據(jù)來(lái)自配備在每個(gè)控制點(diǎn)上的傳感器的傳感器信息直接計(jì)算每個(gè)控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項(xiàng)和由于施加在控制點(diǎn)上 的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)。首先對(duì)來(lái)自配備在ZMP或重心附近的傳感器那樣的數(shù) 據(jù)進(jìn)行這種計(jì)算。類似地，可以根據(jù)來(lái)自配備在每個(gè)控制點(diǎn)上的傳感器的信息直接計(jì)算施 加在每個(gè)控制點(diǎn)上的平動(dòng)力、由于有關(guān)ZMP的力矩而施加的平動(dòng)力和外力。首先對(duì)來(lái)自配 備在ZMP或重心附近的傳感器那樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行這種計(jì)算。 并且，在分布在機(jī)器人上的傳感器相互串聯(lián)的情況下，針對(duì)沿著連接路線的每個(gè) 控制點(diǎn)，一個(gè)接一個(gè)地加根據(jù)來(lái)自每個(gè)控制點(diǎn)上的傳感器的信息計(jì)算的力矩項(xiàng)和外力項(xiàng)。 因此，可以有效地計(jì)算出力矩和外力的總和。 在上面參照?qǐng)D28和29已經(jīng)描述過(guò)的、合并了傳感器的關(guān)節(jié)致動(dòng)器中，命令處理器 12可以利用加速度傳感器(X到Y(jié))和陀螺儀傳感器(俯仰、搖晃和擺動(dòng))供應(yīng)的和已經(jīng)經(jīng) 過(guò)傳感器信號(hào)處理器14處理的傳感器信息，針對(duì)沿著連接路線的每個(gè)控制點(diǎn)，一個(gè)接一個(gè) 地加力矩項(xiàng)和外力項(xiàng)。 圖30示出了在每個(gè)控制點(diǎn)上的關(guān)節(jié)致動(dòng)器中完成的、有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)、施加在 控制點(diǎn)上的外力矩項(xiàng)和由于施加在控制點(diǎn)上的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)的依次加起 來(lái)。 如圖30所示，從連接路線中的高順序(higher-order)關(guān)節(jié)致動(dòng)器將降至 (downto)第(i-l)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)之和、降至第(j-l)控制點(diǎn)的控 制點(diǎn)上的外力矩項(xiàng)之和以及降至第(k-l)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上、由于外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的 力矩項(xiàng)之和供應(yīng)給關(guān)節(jié)致動(dòng)器。根據(jù)在關(guān)節(jié)致動(dòng)器中檢測(cè)的傳感器信息，計(jì)算控制點(diǎn)上的 有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項(xiàng)和由于施加在控制點(diǎn)上的外力引發(fā)的、有 關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)，并且將它們加入每一個(gè)這樣的項(xiàng)的總和之中。然后，將結(jié)果供應(yīng)給連接路 線中的低位關(guān)節(jié)致動(dòng)器，作為降至第i控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)之和、降至第 j控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的外力矩項(xiàng)之和以及由于施加在降至第k控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的外力引 發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩項(xiàng)之和。因此，通過(guò)沿著連接路線重復(fù)地相加數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果到達(dá) 主控制單元時(shí)，形成ZMP方程的力矩項(xiàng)就已經(jīng)確定下來(lái)。這樣，可以利用基于ZMP的穩(wěn)定性 判據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿勢(shì)控制。 ZMP平衡方程的引入牽涉到在一系列第i控制點(diǎn)上引發(fā)的力矩的計(jì)算、施加在一 系列第j控制點(diǎn)上的外力矩的計(jì)算和在一系列第k控制點(diǎn)上、由于外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的 力矩的計(jì)算。在舉出的例子中，并行地進(jìn)行來(lái)自第i、第j和第k控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的計(jì)算。 并行地計(jì)算來(lái)自第i、第j和第k控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)有利于減少連線。應(yīng)該注意到， 所有第i、第j和第k控制點(diǎn)系列并非都是必不可少的，但計(jì)算可能局限計(jì)算來(lái)自第i控制 點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)，或可能跳過(guò)來(lái)自第i控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)的計(jì)算，去計(jì)算來(lái)自第(i-l)控制點(diǎn)系列 的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。 圖31示出了在每個(gè)控制點(diǎn)上的關(guān)節(jié)致動(dòng)器中，施加在控制點(diǎn)上的平動(dòng)力項(xiàng)、由于 有關(guān)ZMP的力矩而施加的平動(dòng)力項(xiàng)和外力項(xiàng)的依次加起來(lái)。 如圖31所示，從連接路線中的高位關(guān)節(jié)致動(dòng)器將施加在降至第(i-l)控制點(diǎn)的控 制點(diǎn)上的平動(dòng)力項(xiàng)之和、在降至第(j-l)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上由于有關(guān)ZMP的力矩引發(fā)的平 動(dòng)力項(xiàng)之和以及施加在降至第(k-l)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的外力項(xiàng)之和供應(yīng)給關(guān)節(jié)致動(dòng)器。 根據(jù)在關(guān)節(jié)致動(dòng)器中檢測(cè)的傳感器信息，計(jì)算施加在控制點(diǎn)上的平動(dòng)力項(xiàng)、由于有關(guān)ZMP的力矩引發(fā)的平動(dòng)力項(xiàng)和外力項(xiàng)，并且將它們加入每一個(gè)這樣的項(xiàng)的總和之中。然后，將結(jié) 果供應(yīng)給連接路線中的低順序(lower-order)關(guān)節(jié)致動(dòng)器，作為施加在降至第i控制點(diǎn)的 控制點(diǎn)上的平動(dòng)力項(xiàng)之和、在降至第j控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上由于有關(guān)ZMP的力矩引發(fā)的平動(dòng) 力項(xiàng)之和以及施加在降至第k控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的外力項(xiàng)之和。因此，通過(guò)沿著連接路線 重復(fù)地相加數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果到達(dá)主控制單元時(shí)，形成動(dòng)力學(xué)方程的力矩項(xiàng)就已經(jīng)確定下 來(lái)。這樣，可以利用動(dòng)力學(xué)方程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿勢(shì)控制。 動(dòng)力學(xué)方程的引入牽涉到在一系列第i控制點(diǎn)上的平動(dòng)力的計(jì)算、在一系列第j 控制點(diǎn)上由于外力矩引發(fā)的平動(dòng)力的計(jì)算和施加在一系列第k控制點(diǎn)上的外力的計(jì)算。在 舉出的例子中，并行地進(jìn)行來(lái)自第i、第j和第k控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的計(jì)算。并行地計(jì)算來(lái) 自第i、第j和第k控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)有利于減少連線。應(yīng)該注意到，所有第i、第j 和第k控制點(diǎn)并非都是必不可少的，但計(jì)算可能局限計(jì)算來(lái)自第i控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)，或可 能跳過(guò)來(lái)自第i控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的計(jì)算，去計(jì)算來(lái)自第(i-1)控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。
在上文中，參照附圖，將本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例作為例子對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)描 述，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，本發(fā)明不局限于這些實(shí)施例，而是在不偏離所 附權(quán)利要求書所陳述的和所限定的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以以各種方式修改、 以可替代的方式構(gòu)造、或以各種其它形式具體實(shí)現(xiàn)它們。 本發(fā)明未必總是局限于稱為"機(jī)器人"的產(chǎn)品，而是可應(yīng)用于利用電的或磁的動(dòng)作 模仿人的運(yùn)動(dòng)的任何機(jī)械設(shè)備或諸如玩具之類屬于其它工業(yè)領(lǐng)域的任何其它一般性移動(dòng) 設(shè)備。 換句話說(shuō)，上面針對(duì)例示性工作例子對(duì)本發(fā)明作了描述，因此，不應(yīng)該限制性地解
釋這里所作的描述，而是應(yīng)該參照所附的權(quán)利要求書來(lái)解釋它。 工業(yè)可應(yīng)用性 正如上文所描述的那樣，本發(fā)明可以提供一種能夠根據(jù)作為姿勢(shì)穩(wěn)定性判據(jù)的 ZMP，對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)器人姿勢(shì)的穩(wěn)定化作出控制、腿式移動(dòng)機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動(dòng)控制 設(shè)備和方法。 此外，本發(fā)明還可以提供一種能夠通過(guò)迅速地和高精度地導(dǎo)出ZMP方程，嚴(yán)格地
控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)、腿式移動(dòng)機(jī)器人的極好運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法。 此外，本發(fā)明還可以提供一種能夠根據(jù)作為姿勢(shì)穩(wěn)定性判據(jù)的ZMP，良好地控制
機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢(shì)、腿式移動(dòng)機(jī)器人的極好運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法和改進(jìn)和新穎傳感器系統(tǒng)。 此外，本發(fā)明還可以提供一種能夠通過(guò)利用根據(jù)來(lái)自配備在機(jī)器人上的各個(gè)點(diǎn)上 的傳感器的測(cè)量值引入的ZMP方程識(shí)別未知外力矩和未知外力，良好地控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、 腿式移動(dòng)機(jī)器人的極好運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法和極好傳感器系統(tǒng)。 在根據(jù)本發(fā)明的腿式移動(dòng)機(jī)器人中，直接測(cè)量ZMP和力的反作用力傳感器系統(tǒng)部 署在與環(huán)境直接接觸的點(diǎn)上，用于運(yùn)動(dòng)控制的局部坐標(biāo)和直接測(cè)量局部坐標(biāo)的加速度傳感 器和角速度傳感器得到部署，并且加速度傳感器和姿勢(shì)傳感器配備在用于計(jì)算模型中的每 個(gè)矢量位置上，從而使直接測(cè)量引入ZMP方程(或動(dòng)力學(xué)方程)所需的控制參數(shù)成為可能。 因此，不用假設(shè)機(jī)器人足夠剛性，施加了任何外力都不會(huì)變形，就可以以更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán) 格的運(yùn)動(dòng)控制。
權(quán)利要求
一種具有一個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)單元的移動(dòng)設(shè)備，其特征在于，所述移動(dòng)設(shè)備包括第1加速度傳感器，對(duì)所述移動(dòng)設(shè)備設(shè)定局部坐標(biāo)系，測(cè)量所述局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的加速度；第2加速度傳感器，被部署在所述局部坐標(biāo)系中的一個(gè)以上的受控對(duì)象點(diǎn)上；相對(duì)加速度計(jì)算部件，至少基于從所述第1加速度傳感器以及所述第2加速度傳感器獲得的加速度信息，計(jì)算對(duì)于所述局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的加速度的所述受控對(duì)象點(diǎn)的相對(duì)加速度；以及控制部件，基于所述相對(duì)加速度來(lái)控制所述受控對(duì)象點(diǎn)。
2. 如權(quán)利要求l所述的移動(dòng)設(shè)備，其特征在于，將所述局部坐標(biāo)系和所述第1加速度傳感器部署到所述移動(dòng)設(shè)備和路面的接觸部位。
3. 如權(quán)利要求l所述的移動(dòng)設(shè)備，其特征在于， 所述移動(dòng)設(shè)備是具有腳部的機(jī)器人設(shè)備，將所述局部坐標(biāo)系和所述第1加速度傳感器部署到所述腳部。
4. 如權(quán)利要求l所述的移動(dòng)設(shè)備，其特征在于， 所述移動(dòng)設(shè)備是具有腰部的機(jī)器人設(shè)備，將所述局部坐標(biāo)系和所述第1加速度傳感器部署到所述腰部。
5. 如權(quán)利要求1所述的移動(dòng)設(shè)備，其特征在于，還包括使用至少基于從所述第1加速度傳感器以及所述第2加速度傳感器獲得的加速度信息 而導(dǎo)出的ZMP方程或者動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算施加在所述移動(dòng)設(shè)備上的未知力矩或者未知外力 的部件，所述控制部件基于該計(jì)算出的未知力矩或者未知外力控制所述受控對(duì)象點(diǎn)。
6. 如權(quán)利要求l所述的移動(dòng)設(shè)備，其特征在于，所述移動(dòng)設(shè)備是具有至少包括上肢、下肢和軀干部的運(yùn)動(dòng)單元的機(jī)器人設(shè)備， 受控對(duì)象點(diǎn)至少配備在所述上肢、所述下肢和所述軀干部的每一個(gè)上。
7. 如權(quán)利要求6所述的移動(dòng)設(shè)備，其特征在于，分布在所述移動(dòng)設(shè)備上的所述加速度傳感器相互串聯(lián)，以便沿著連接路線在每一個(gè)控 制點(diǎn)上依次加上根據(jù)所述加速度傳感器的加速度信息所計(jì)算的ZMP方程或者動(dòng)力學(xué)方程 上的力矩項(xiàng)和外力項(xiàng)。
8. —種移動(dòng)設(shè)備的控制方法，該移動(dòng)設(shè)備具有一個(gè)以上的移動(dòng)單元，其特征在于，該控 制方法包括第1加速度測(cè)量步驟，對(duì)所述移動(dòng)設(shè)備設(shè)定局部坐標(biāo)系，測(cè)量所述局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的 第1加速度；第2加速度測(cè)量步驟，測(cè)量部署在所述局部坐標(biāo)系中的一個(gè)以上的受控對(duì)象點(diǎn)上的第 2加速度；相對(duì)加速度計(jì)算步驟，至少基于所述第1加速度以及所述第2加速度，計(jì)算對(duì)于所述局 部坐標(biāo)系原點(diǎn)的加速度的所述受控對(duì)象點(diǎn)的相對(duì)加速度；以及 控制步驟，基于所述相對(duì)加速度來(lái)控制所述受控對(duì)象點(diǎn)。
9. 如權(quán)利要求8所述的移動(dòng)設(shè)備的控制方法，其特征在于，在所述第1加速度測(cè)量步驟中，將所述局部坐標(biāo)系部署到所述移動(dòng)設(shè)備和路面的接觸部位上測(cè)量所述第l加速度。
10. 如權(quán)利要求8所述的移動(dòng)設(shè)備的控制方法，其特征在于， 所述移動(dòng)設(shè)備是具有腳部的機(jī)器人設(shè)備，在所述第1加速度測(cè)量步驟中，將所述局部坐標(biāo)系部署到所述腳部上測(cè)量所述第1加 速度。
11. 如權(quán)利要求8所述的移動(dòng)設(shè)備的控制方法，其特征在于， 所述移動(dòng)設(shè)備是具有腰部的機(jī)器人設(shè)備，在所述第1加速度測(cè)量步驟中，將所述局部坐標(biāo)系部署到所述腰部上測(cè)量所述第1加 速度。
12. 如權(quán)利要求8所述的移動(dòng)設(shè)備的控制方法，其特征在于，還包括 未知力矩或者未知外力計(jì)算步驟，使用至少基于所述第1加速度以及所述第2加速度而導(dǎo)出的ZMP方程或者動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算施加在所述移動(dòng)設(shè)備上的未知力矩或者未知外 力，所述控制步驟中，基于該計(jì)算出的未知力矩或者未知外力控制所述受控對(duì)象點(diǎn)。
13. 如權(quán)利要求8所述的移動(dòng)設(shè)備的控制方法，其特征在于， 所述移動(dòng)設(shè)備是具有至少包括上肢、下肢和軀干部的運(yùn)動(dòng)單元的機(jī)器人設(shè)備， 受控對(duì)象點(diǎn)至少配備在所述上肢、所述下肢和所述軀干部的每一個(gè)上。
全文摘要
提供具有一個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)單元的移動(dòng)設(shè)備及其控制方法。該移動(dòng)設(shè)備包括第1加速度傳感器，對(duì)移動(dòng)設(shè)備設(shè)定局部坐標(biāo)系，測(cè)量局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的加速度；第2加速度傳感器，被部署在局部坐標(biāo)系中的一個(gè)以上的受控對(duì)象點(diǎn)上；相對(duì)加速度計(jì)算部件，至少基于從第1加速度傳感器以及第2加速度傳感器獲得的加速度信息，計(jì)算對(duì)于局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的加速度的受控對(duì)象點(diǎn)的相對(duì)加速度；以及控制部件，基于相對(duì)加速度來(lái)控制受控對(duì)象點(diǎn)。
文檔編號(hào)B25J5/00GK101745910SQ20091026218
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2003年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月18日
發(fā)明者山口仁一, 清水悟, 長(zhǎng)阪憲一郎, 黑木義博 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社;山口仁一