專利名稱：機器人控制裝置、機器人控制方法以及腿式機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器人控制裝置、機器人控制方法以及腿式機器人。
背景技術(shù)：
近年來，已開發(fā)出驅(qū)動腿部來行走的行走機器人(專利文獻1、幻。專利文獻1中的控制方法生成將各關(guān)節(jié)角度表示為時序列的行走樣式以使膝關(guān)節(jié)角速度在限制范圍內(nèi)。 然后，依照行走樣式來控制機器人的動作。(例如，參考專利文獻1)。此外，專利文獻2的機器人控制裝置控制機器人的動作，以分別使得實際上體位置收斂于所述目標上體位置，所述實際姿態(tài)軌跡收斂于所述目標姿態(tài)軌跡，所述實際腳部位置收斂于所述目標腳部位置，所述實際腳部姿態(tài)軌跡收斂于所述目標腳部姿態(tài)軌跡，所述實際腳底板(全床)反作用力中心點收斂于所述目標腳底板反作用力中心點，所述實際腳底板反作用力收斂于所述目標腳底板反作用力(例如，參考專利文獻2)。在先技術(shù)文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2005-88189號(第14頁，圖2)專利文獻2 日本特開第3655056號(第18頁，圖4)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題使用圖6，對專利文獻1的控制方法進行說明。在圖6中，附圖標記601是腳尖軌跡設(shè)定部，602是腰軌跡設(shè)定部，603是膝關(guān)節(jié)角度設(shè)定部，604是膝關(guān)節(jié)角速度的限制范圍設(shè)定部。腳尖軌跡設(shè)定部601根據(jù)每一步的左右各腳尖部的初始坐標、中間點坐標以及終點坐標通過插值來計算并輸出腳尖軌跡。腰軌跡設(shè)定部602基于腳尖軌跡來計算腰軌跡以使腰部的重心位置通過左右腳尖部的中央之間的中點，并輸出所算出的腰軌跡。膝關(guān)節(jié)角度設(shè)定部603將膝關(guān)節(jié)角度作為預(yù)先設(shè)定的步速和時間的函數(shù)來計算并輸出。膝關(guān)節(jié)角速度的限制范圍設(shè)定部604設(shè)定與膝關(guān)節(jié)部的動作相關(guān)的物理量的限制范圍，并輸出所述設(shè)定的限制范圍。腳尖軌跡、所述腰軌跡、所述膝關(guān)節(jié)角度以及所述限制范圍成為用于生成行走模式的初始設(shè)定值。然后，通過經(jīng)由步驟S601至步驟S604，根據(jù)這些初始設(shè)定值生成行走模式。在步驟S601中，使用初始設(shè)定值來判定站立腿和空閑腿。在步驟S602中，改變初始設(shè)定值以使站立腿的初始設(shè)定值不超過所述限制范圍，并確定站立腿的腰關(guān)節(jié)高度。在步驟S603中，基于初始設(shè)定值和在步驟S603中確定的腰關(guān)節(jié)高度來確定雙腿的各關(guān)節(jié)角度。在步驟S604中，確認一個行走周期的計算結(jié)束，確定行走模式。如此，專利文獻1的控制方法依照行走模式來控制機器人的動作。使用圖7對專利文獻2的控制方法進行說明。在圖7中，附圖標記701是機器人腿控制裝置，702是腿致動器，703是腿致動器位移檢測器，704是六軸力傳感器，705是傾斜檢測器。機器人腿控制裝置701計算目標上體位置、目標姿態(tài)軌跡、目標腳部位置、目標腳部姿態(tài)軌跡、目標地板反作用力中心點、目標地板反作用力。然后輸出使得基于實際位移、 實際各腳底板反作用力、上體實際傾斜姿態(tài)算出的實際上體位置收斂于目標上體位置、實際姿態(tài)軌跡收斂于目標姿態(tài)軌跡、實際腳部位置收斂于目標腳部位置、實際腳部姿態(tài)軌跡收斂于目標腳部姿態(tài)軌跡、實際地板反作用力中心點收斂于目標地板反作用力中心點、并且實際地板反作用力收斂于目標地板反作用力的驅(qū)動指令。腿致動器702根據(jù)驅(qū)動指令來動作。腿致動器位移檢測器703檢測所述實際位移并輸出該實際位移。六軸力傳感器704檢測所述實際各腳底板反作用力，并輸出各腳底板反作用力。傾斜檢測器705檢測所述上體實際傾斜姿態(tài)并輸出上體實際傾斜姿態(tài)。專利文獻2的控制方法控制機器人的動作，以使實際上體位置收斂于目標上體位置，實際姿態(tài)軌跡收斂于目標姿態(tài)軌跡，實際腳部位置收斂于目標腳部位置，實際腳部姿態(tài)軌跡收斂于目標腳部姿態(tài)軌跡，實際地板反作用力中心點收斂于目標地板反作用力中心點，并且實際地板反作用力收斂于所述目標地板反作用力。在上述的機器人的控制方法中，控制機器人使得機器人的每個腿關(guān)節(jié)沿著預(yù)先算出的理想的關(guān)節(jié)軌跡移動，從而使機器人行走。因此，根據(jù)干擾、地面的實際狀態(tài)等，當使各關(guān)節(jié)沿著關(guān)節(jié)軌跡動作時可能會跌到。此外，為了使機器人在各種環(huán)境中以各種姿態(tài)行走，需要針對各種環(huán)境和各種姿態(tài)計算行走模式。并且需要將行走模式數(shù)據(jù)存儲在存儲器中。因此存在需要龐大的存儲器容量、無法廉價地構(gòu)建機器人的通常的技術(shù)問題。若要解決所述通常的技術(shù)問題，則需要即便在只安裝了廉價、小容量的存儲器的情況下也能夠使機器人在各種干擾和地面狀態(tài)下也不會跌到地行走的控制技術(shù)。如此，期待開發(fā)出可控性更好的腿式機器人。本發(fā)明就是鑒于上述的問題而作出的，其目的在于提供可控性好的機器人控制裝置、機器人控制方法、以及腿式機器人。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面的機器人控制裝置通過驅(qū)動具有多條腿的機器人的關(guān)節(jié)來使所述機器人行走，所述機器人控制裝置基于作為圍繞所述機器人的環(huán)境的信息的環(huán)境檢測值來確定關(guān)于所述機器人的軀干垂直位置的容許范圍，并且基于表示所述機器人的姿態(tài)的姿態(tài)檢測值來使所述機器人行走，以使所述軀干垂直位置在所述容許范圍內(nèi)。由此，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第二方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其中包括大腿部角速度控制器，其控制所述機器人的大腿部角速度；膝部絕對角控制器，其控制所述機器人的膝部絕對角；以及空閑腿角度控制器，其控制所述機器人的空閑腿角度。由此，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第三方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其中包括大腿部角速度指令生成器，其生成大腿部角速度指令；以及軀干垂直位置指令生成器，其基于所述環(huán)境檢測值和所述姿態(tài)檢測值來生成軀干垂直位置指令，所述軀干垂直位置指令是所述機器人的軀干垂直位置的目標值。由此，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第四方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于， 計算控制機器人機構(gòu)的線性部分的線性部轉(zhuǎn)矩，所述機器人機構(gòu)是所述機器人的機構(gòu)。由此，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第五方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于， 所述線性部轉(zhuǎn)矩包括控制所述機器人的大腿部角速度的腳踝線性部轉(zhuǎn)矩、控制所述機器人的膝部絕對角的膝部線性部轉(zhuǎn)矩、以及控制所述機器人的空閑腿角度的空閑腿線性部轉(zhuǎn)矩。由此，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第六方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于， 包括輸出所述環(huán)境檢測值的環(huán)境檢測器。由此，能夠獲得合適的環(huán)境檢測值，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第七方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于， 所述環(huán)境檢測值包括所述機器人的上方的障礙的位置和地面溫度。由此，能夠在避開上方的障礙并保護電氣部免受地面熱量的影響的情況下使機器人行走。由此，能夠進行與障礙的位置和地面溫度相應(yīng)的控制。根據(jù)本發(fā)明第八方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于， 根據(jù)所述機器人的上方的障礙的位置來設(shè)定所述軀干垂直位置的容許范圍的上限值，并且根據(jù)地面溫度來設(shè)定所述軀干垂直位置的容許范圍的下限值，當所述軀干垂直位置小于所述下限值時，將作為所述機器人的軀干垂直位置的目標值的軀干垂直位置指令作為所述下限值，當所述軀干垂直位置大于所述軀干垂直位置指令上限值時，將所述軀干垂直位置指令作為所述垂直位置指令上限值，當所述軀干垂直位置處于所述軀干垂直位置指令下限值和所述軀干垂直位置指令上限值之間時，將所述軀干垂直位置指令作為所述軀干垂直位置。由此，能夠在避開上方的障礙并保護電氣部免受地面熱量的影響的情況下使機器人行走。根據(jù)本發(fā)明第九方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于， 包括輸出所述姿態(tài)檢測值的姿態(tài)檢測器。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第十方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于， 所述姿態(tài)檢測值包括所述機器人的大腿部角度、膝部角度、以及空閑腿角度。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第十一方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于，將膝部絕對角的目標值作為膝部絕對角指令，所述膝部絕對角指令是所述機器人的大腿部角度的函數(shù)，所述膝部絕對角是所述機器人的大腿部角度和膝部角度之和。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第十二方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于，求出從所述軀干垂直位置指令減去所述機器人的大腿部長度和所述大腿部角度之積的值，將所述減去后的值除以小腿長度，將所述經(jīng)除法而得的值的反余弦值作為所述膝部絕對角指令。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第十三方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于，空閑腿角度指令是所述機器人的大腿部角度的函數(shù)，所述空閑腿角度指令是所述機器人的空閑腿角度的目標值。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第十四方面的機器人控制裝置是上述的機器人控制裝置，其特征在于，所述空閑腿角度指令是通過將所述大腿部角度的符號取反而得的。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第十五方面的機器人包括上述的機器人控制裝置和多條腿。由此能夠提高可控性高的機器人。根據(jù)本發(fā)明第十六方面的機器人控制方法通過驅(qū)動具有多條腿的機器人的關(guān)節(jié)來使所述機器人行走，其中，基于作為圍繞所述機器人的環(huán)境的信息的環(huán)境檢測值來確定關(guān)于所述機器人的軀干垂直位置的容許范圍，并且基于表示所述機器人的姿態(tài)的姿態(tài)檢測值來使所述機器人行走，以使所述軀干垂直位置在所述容許范圍內(nèi)。由此，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第十七方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其中，基于所述環(huán)境檢測值和所述姿態(tài)檢測值來生成軀干垂直位置指令，所述軀干垂直位置指令是所述機器人的軀干垂直位置的目標值。由此，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第十八方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其特征在于，計算控制機器人機構(gòu)的線性部分的線性部轉(zhuǎn)矩，所述機器人機構(gòu)是所述機器人的機構(gòu)。 由此，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第十九方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其特征在于，所述線性部轉(zhuǎn)矩包括控制所述機器人的大腿部角速度的腳踝線性部轉(zhuǎn)矩、控制所述機器人的膝部絕對角的膝部線性部轉(zhuǎn)矩、以及控制所述機器人的空閑腿角度的空閑腿線性部轉(zhuǎn)矩。由此，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第二十方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其特征在于，所述環(huán)境檢測值包括所述機器人的上方的障礙的位置和地面溫度。由此，能夠進行與障礙的位置和地面溫度相應(yīng)的控制。根據(jù)本發(fā)明第二十一方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其特征在于，根據(jù)所述機器人的上方的障礙的位置來設(shè)定所述軀干垂直位置的容許范圍的上限值， 并且根據(jù)地面溫度來設(shè)定所述軀干垂直位置的容許范圍的下限值，當所述軀干垂直位置小于所述下限值時，將作為所述機器人的軀干垂直位置的目標值的軀干垂直位置指令作為所述下限值，當所述軀干垂直位置大于所述軀干垂直位置指令上限值時，將所述軀干垂直位置指令作為所述垂直位置指令上限值，當所述軀干垂直位置處于所述軀干垂直位置指令下限值和所述軀干垂直位置指令上限值之間時，將所述軀干垂直位置指令作為所述軀干垂直位置。由此，能夠在避開上方的障礙并保護電氣部免受地面熱量的影響的情況下使機器人行走。根據(jù)本發(fā)明第二十二方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其特征在于，所述姿態(tài)檢測值包括所述機器人的大腿部角度、膝部角度、以及空閑腿角度。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第二十三方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其特征在于，將膝部絕對角的目標值作為膝部絕對角指令，所述膝部絕對角指令是所述機器人的大腿部角度的函數(shù)，所述膝部絕對角是所述機器人的大腿部角度和膝部角度之和。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第二十四方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其特征在于，求出從所述軀干垂直位置指令減去所述機器人的大腿部長度和所述大腿部角度之積的值，將所述減去后的值除以小腿長度，將所述經(jīng)除法而得的值的反余弦值作為所述膝部絕對角指令。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第二十五方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其特征在于，空閑腿角度指令是所述機器人的大腿部角度的函數(shù)，所述空閑腿角度指令是所述機器人的空閑腿角度的目標值。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。根據(jù)本發(fā)明第二十六方面的機器人控制方法是上述的機器人控制方法，其特征在于，所述空閑腿角度指令是通過將所述大腿部角度的符號取反而得的。由此能夠可靠地進行控制，能夠提高可控性。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供可控性好的機器人控制裝置、機器人控制方法、以及腿式機器人。


圖1是模式性地示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的機器人的構(gòu)成的圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的機器人的控制裝置的框圖；圖3是用于說明根據(jù)本發(fā)明實施方式的機器人的行走控制的圖；圖4是示出在機器人的行走動作中的軀干垂直位置的時間變化的仿真結(jié)果的圖；圖5是示出在機器人的行走動作中的軀干水平位置以及軀干垂直位置的軌跡的仿真結(jié)果的圖；圖6是用于說明專利文獻1所述的控制方法的圖；圖7是用于說明專利文獻2所述的控制方法的圖。附圖標記說明101機器人102 頭部103身區(qū)干104 腰部105 右臂106 左臂110 腿部120 右腿121右股關(guān)節(jié)122右上腿123右膝關(guān)節(jié)124右下腿125右腳踝關(guān)節(jié)126右腳部
130左腿
131左股關(guān)節(jié)
132左上腿
133左膝關(guān)節(jié)
134左下腿
135左腳踝關(guān)節(jié)
136左腳部
141控制部
151地面、地板面
201大腿部角速度指令生成器
202大腿部角速度控制器
203腳踝轉(zhuǎn)矩計算器
204腳踝馬達
205軀干垂直位置指令生成器
206膝部絕對角控制器
207膝部轉(zhuǎn)矩計算器
208膝部馬達
209空閑腿角度控制器
210空閑腿轉(zhuǎn)矩計算器
211空閑腿馬達
212機器人機構(gòu)
213姿態(tài)檢測器
214環(huán)境檢測器
601腳尖軌跡設(shè)定部
602膝關(guān)節(jié)角度設(shè)定部
603腰軌跡設(shè)定部
604膝關(guān)節(jié)角速度的限制范圍設(shè)定部
701機器人腿控制裝置
702腿致動器
703腿致動器位移檢測器
704六軸力傳感器
705傾斜檢測器
具體實施例方式以下，基于附圖，對根據(jù)本發(fā)明的腿式機器人及其控制裝置的實施方式進行詳細說明。但是，本發(fā)明不應(yīng)被限定于以下的實施方式。此外，為了明確說明，以下記載的內(nèi)容和附圖被適當進行了簡化。以下，參考圖1，對根據(jù)本發(fā)明實施方式的腳式移動機器人(以下，簡單稱為機器人)進行說明。
圖1是概要示出從正面觀看機器人101的樣子的概要圖，機器人101在地板面151 上行走的樣子。在圖1中，為了便于說明，將機器人101行進的朝向(前后方向)設(shè)為X軸， 將在水平方向上與機器人101行進的方向垂直的朝向(左右方向)設(shè)為y軸，將從移動體移動的平面上豎直方向延伸的朝向(上下方向)設(shè)為ζ軸，并使用由這些三軸構(gòu)成的坐標系進行說明。即，在圖1中，所述χ軸表示紙面的深入方向，y軸表示紙面上的左右方向，ζ 軸表示紙面上的上下方向。如圖1所示，機器人101是雙腳行走式機器人，包括頭部102、軀干(軀體)103、 作為軀干103的一部分的腰部104、連接在軀干103上的右臂105、左臂106、可轉(zhuǎn)動地固定在腰部104的腿部110。下面進行詳細說明。頭部102具有用于拍攝機器人101周圍環(huán)境的可視圖像的左右一對的拍攝部(沒有圖示)，并且通過使頭部102相對于軀干103繞平行于豎直方向的軸轉(zhuǎn)動來拍攝寬范圍的周圍環(huán)境的圖像。示出了拍攝的周圍環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)被發(fā)送給后述的控制部141，被用作確定機器人101的動作的信息。軀干103在其內(nèi)部收納有用于控制機器人101的動作的控制部141、用于向腿部的馬達等供電的電池(沒有圖示)等?？刂撇?41包括計算處理部、以及用于驅(qū)動腿部110 中包含的馬達的馬達驅(qū)動部。對于控制部141的構(gòu)成，將在后面進行說明。這些各構(gòu)成要素通過由設(shè)置在軀干103內(nèi)部的電池(沒有圖示)供電而進行動作。此外，計算處理部讀出被存儲在存儲區(qū)域中的程序等，并且計算為實現(xiàn)由讀出的程序等指定的機器人101的姿態(tài)所必需的腿部110的關(guān)節(jié)角度。然后，向馬達驅(qū)動部發(fā)送基于如此算出的關(guān)節(jié)角度的信號。馬達驅(qū)動部基于從計算處理部發(fā)送的信號，指定用于驅(qū)動腿部的各個馬達的驅(qū)動量，并向各個馬達發(fā)行用于基于這些驅(qū)動量驅(qū)動馬達的驅(qū)動信號。由此，改變腿部110的各關(guān)節(jié)處的驅(qū)動量，控制機器人101的運動。此外，計算處理部除了指示基于讀出的程序等來進行馬達驅(qū)動，還接受來自陀螺儀、加速度計和旋轉(zhuǎn)編碼器等傳感器(沒有圖示)的信號來調(diào)節(jié)馬達的驅(qū)動量。如此，通過由傳感器檢測出的作用于機器人101的外力和機器人101的姿態(tài)等來調(diào)節(jié)腿部110的關(guān)節(jié)角度，機器人101能夠維持穩(wěn)定的狀態(tài)。右臂105以及左臂106可轉(zhuǎn)動地連接在軀干103上，并通過設(shè)置在肘部分和手腕部分處的關(guān)節(jié)部分，能夠進行與人類的臂部相同的運動。此外，連接在手腕部分的前端上的手部雖省略了圖示，但具有用于握持物體的手構(gòu)造，從而通過驅(qū)動嵌入手構(gòu)造中的多個指關(guān)節(jié)，能夠握持各種形狀的物體。腰部104以可轉(zhuǎn)動的方式連接在軀干103的軀體部分，當進行行走動作時通過組合腰部104的轉(zhuǎn)動動作，能夠降低驅(qū)動腿部110所必需的驅(qū)動能量。用于雙腳行走的腿部110由右腿120和左腳130構(gòu)成。詳細地說明，如圖1所示， 右腿120包括右股關(guān)節(jié)121、右上腿122、右膝關(guān)節(jié)123、右下腿(右脛)124、右腳踝關(guān)節(jié) 125、右腳部126，同樣地，左腳130包括左股關(guān)節(jié)131、左上腿132、左膝關(guān)節(jié)133、左下腿 (左脛)134、左腳踝關(guān)節(jié)135、左腳部136。此外，通過來自沒有圖示的馬達的驅(qū)動力經(jīng)由同樣沒有圖示的帶輪以及帶傳遞到右腿120以及左腳130，右腿120以及左腳130的各關(guān)節(jié)部被驅(qū)動為期望的角度，其結(jié)果能夠使腿部進行期望的運動。這里，對控制部141進行詳細說明。控制部141具有作為計算處理部的 CPU (Central Processing Unit，中央處理器)、作為存儲區(qū)域的 ROM (Read Only Memory，只讀存儲器)和RAM (Random Access Memory,隨機存取存儲器)、用于通信的接口等，該控制部141用于控制機器人101的各種動作。例如，ROM中存儲有用于控制的控制程序、各種設(shè)定數(shù)據(jù)等。并且，CPU讀出存儲在該ROM中的控制程序，并在RAM中展開該控制程序。并且根據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)和來自傳感器等的輸出來執(zhí)行程序。接著，使用圖2對用于控制行走動作的控制部141的構(gòu)成進行說明。圖2是示出控制部141的構(gòu)成的框圖。因此，圖2是控制機器人的機器人控制裝置。這里，主要對機器人101的行走動作的控制進行說明。在圖2中，附圖標記201是大腿部角速度指令生成器，202是大腿部角速度控制器， 203是腳踝轉(zhuǎn)矩計算器，204是腳踝馬達，205是軀干垂直位置指令生成器，206是膝部絕對角控制器，207是膝部轉(zhuǎn)矩計算器，208是膝部馬達，209是空閑腿角度控制器，210是空閑腿轉(zhuǎn)矩計算器，211是空閑腿馬達，212是機器人機構(gòu)，213是姿態(tài)檢測器，214是環(huán)境檢測器。大腿部角速度指令生成器201輸出作為大腿部角速度d θ h/dt的目標值的大腿部角速度指令。大腿部角速度指令根據(jù)機器人101的行走速度來確定。大腿部角速度控制器202計算并輸出腳踝線性部轉(zhuǎn)矩，該腳踝線性部轉(zhuǎn)矩是腳踝轉(zhuǎn)矩在機器人機構(gòu)212的線性部上的分量。根據(jù)該腳踝線性部轉(zhuǎn)矩來控制大腿部角速度，以使其追隨大腿部角速度指令。腳踝轉(zhuǎn)矩計算器203基于腳踝線性部轉(zhuǎn)矩和姿態(tài)檢測值，向腳踝馬達204供應(yīng)腳踝馬達驅(qū)動電流。姿態(tài)檢測值包括機器人機構(gòu)212的各關(guān)節(jié)角度等。腳踝馬達204基于腳踝馬達驅(qū)動電流來產(chǎn)生腳踝轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動機器人機構(gòu)212的腳踝。另外，機器人機構(gòu)212包括使各關(guān)節(jié)動作的機構(gòu)。軀干垂直位置指令生成器205基于姿態(tài)檢測值和環(huán)境檢測值來計算軀干垂直位置指令，并輸出該軀干垂直位置指令。軀干垂直位置指令是軀干垂直位置的目標值，該軀干垂直位置的目標值是機器人機構(gòu)212能夠安全動作的軀干的垂直位置。即，機器人機構(gòu)212 中包含關(guān)節(jié)動作，以使軀干垂直位置追隨軀干垂直位置指令。膝部絕對角控制器206基于軀干垂直位置指令和姿態(tài)檢測值來計算膝部線性部轉(zhuǎn)矩，并輸出該膝部線性部轉(zhuǎn)矩。膝部線性部轉(zhuǎn)矩是膝部轉(zhuǎn)矩在控制膝部絕對角的機器人機構(gòu)212的線性部上的分量，膝部絕對角是大腿部角度和膝部角度之和。由此，機器人機構(gòu)212的軀干垂直位置被控制以便追隨軀干垂直位置指令。膝部轉(zhuǎn)矩計算器207基于膝部線性部轉(zhuǎn)矩和姿態(tài)檢測值，向膝部馬達208供應(yīng)膝部馬達驅(qū)動電流。膝部馬達208基于膝部馬達驅(qū)動電流來產(chǎn)生膝部轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動機器人機構(gòu) 212的膝部?？臻e腿角度控制器209基于姿態(tài)檢測值來計算空閑腿角度指令?？臻e腿角度指令是機器人機構(gòu)212的空閑腿角度的目標值。并且，空閑腿角度控制器209計算并輸出空閑腿線性部轉(zhuǎn)矩，空閑腿線性部轉(zhuǎn)矩是空閑腿轉(zhuǎn)矩在機器人機構(gòu)212的線性部上的分量。由此， 空閑腿角度被控制以便追隨空閑腿角度指令。也可以將空閑腿角度指令作為機器人101的大腿部角度的函數(shù)。也可以將空閑腿角度指令作為將大腿部角度的符號取反后的值。艮口，也可以控制空閑腿角度，以使空閑腿和站立腿成對稱?？臻e腿轉(zhuǎn)矩計算器210基于空閑腿線性部轉(zhuǎn)矩和姿態(tài)檢測值，向空閑腿馬達211 供應(yīng)空閑腿馬達驅(qū)動電流。機器人機構(gòu)212通過腳踝轉(zhuǎn)矩、膝部轉(zhuǎn)矩、空閑腿轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動。 即，各關(guān)節(jié)的驅(qū)動馬達利用從計算器供應(yīng)而來的馬達驅(qū)動電流而動作。并且，與機器人機構(gòu) 212連結(jié)的姿態(tài)檢測器213檢測并輸出姿態(tài)檢測值。姿態(tài)檢測器213例如具有檢測各關(guān)節(jié)的角度的角度傳感器。作為角度傳感器的具體例子，有分解器(resolver)、電位計、編碼器。 此外，只要是能夠檢測姿態(tài)的傳感器，也可以是角度傳感器以外的傳感器。姿態(tài)檢測器213 例如也可以包括不附裝在關(guān)節(jié)上的加速度検出器等。通過該姿態(tài)檢測器213檢測機器人機構(gòu)212的姿態(tài)。即，檢測除與各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度相應(yīng)的機器人姿態(tài)。環(huán)境檢測器214檢測與圍繞機器人機構(gòu)212的環(huán)境相關(guān)的信息(例如，周圍的障礙物、溫度等)，并輸出該信息作為環(huán)境檢測值。環(huán)境檢測器214例如包括檢測地板溫度的溫度傳感器和檢測障礙物的高度的障礙物傳感器。環(huán)境檢測器214也可以設(shè)置在機器人101的外部。例如，也可以將測定環(huán)境溫度的傳感器或檢測障礙物位置的傳感器設(shè)置在機器人101移動的環(huán)境中。并且，機器人101 可以從外部傳感器接收有關(guān)環(huán)境的信息。此外，環(huán)境檢測值可以動態(tài)變化。即，環(huán)境檢測值也可以在機器人101行走的過程中發(fā)生變化。例如，當環(huán)境中的溫度發(fā)生了變化時，環(huán)境檢測值也可以與此相應(yīng)地變化。或者，環(huán)境檢測值也可以根據(jù)與障礙物之間的距離而變化。例如，也可以在機器人101繞過障礙物之后，環(huán)境檢測值發(fā)生變化。為了動態(tài)識別環(huán)境的變化，優(yōu)選環(huán)境檢測器214內(nèi)置于機器人101內(nèi)。由此，能夠獲得合適的環(huán)境檢測值。以下，使用圖3，對由本實施例的控制部141驅(qū)動機器人機構(gòu)212的機制的細節(jié)進行說明。圖3是模式性地示出根據(jù)本實施方式的機器人機構(gòu)212的圖。在圖3中，右腿為空閑腿，左腳為站立腿。在圖3中，省略了空閑腿的一部分。eh是大腿部角度，Θk是膝部角度，θ a是腳踝角度，θ i是空閑腿角度，m是軀干質(zhì)量，mk是膝部質(zhì)量，Hii是空閑腿質(zhì)量， Ig是大腿部長度，In是小腿長度(脛長度)，^是空閑腿長度。此外，大腿部角度9h、膝部角度θ k、腳踝角度θ Jf逆時針方向設(shè)為正。圖3的機器人機構(gòu)的運動方程式通過使用歐拉-拉格朗日方程方程式被求為方程式(1)、(2)、(3)。[方程式1]
權(quán)利要求
1.一種機器人控制裝置，其通過驅(qū)動具有多條腿的機器人的關(guān)節(jié)來使所述機器人行走，所述機器人控制裝置基于作為圍繞所述機器人的環(huán)境的信息的環(huán)境檢測值來確定對于所述機器人的軀干垂直位置的容許范圍，并且基于表示所述機器人的姿態(tài)的姿態(tài)檢測值來使所述機器人行走，以使所述軀干垂直位置在所述容許范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的機器人控制裝置，其中包括大腿部角速度控制器，其控制所述機器人的大腿部角速度； 膝部絕對角控制器，其控制所述機器人的膝部絕對角；以及空閑腿角度控制器，其控制所述機器人的空閑腿角度。
3.如權(quán)利要求1所述的機器人控制裝置，其中包括 大腿部角速度指令生成器，其生成大腿部角速度指令；以及軀干垂直位置指令生成器，其基于所述環(huán)境檢測值和所述姿態(tài)檢測值來生成軀干垂直位置指令，所述軀干垂直位置指令是所述機器人的軀干垂直位置的目標值。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的機器人控制裝置，其特征在于，計算用于控制機器人機構(gòu)的線性部分的線性部轉(zhuǎn)矩，所述機器人機構(gòu)是所述機器人的機構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的機器人控制裝置，其特征在于，所述線性部轉(zhuǎn)矩包括控制所述機器人的大腿部角速度的腳踝線性部轉(zhuǎn)矩、控制所述機器人的膝部絕對角的膝部線性部轉(zhuǎn)矩、以及控制所述機器人的空閑腿角度的空閑腿線性部轉(zhuǎn)矩。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的機器人控制裝置，其特征在于， 包括輸出所述環(huán)境檢測值的環(huán)境檢測器。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的機器人控制裝置，其特征在于， 所述環(huán)境檢測值包括所述機器人的上方的障礙的位置和地面溫度。
8.如權(quán)利要求7所述的機器人控制裝置，其特征在于，根據(jù)所述機器人的上方的障礙的位置來設(shè)定所述軀干垂直位置的容許范圍的上限值， 并且根據(jù)地面溫度來設(shè)定所述軀干垂直位置的容許范圍的下限值，當所述軀干垂直位置小于所述下限值時，將作為所述機器人的軀干垂直位置的目標值的軀干垂直位置指令設(shè)為所述下限值，當所述軀干垂直位置大于所述軀干垂直位置指令上限值時，將所述軀干垂直位置指令設(shè)為所述垂直位置指令上限值，當所述軀干垂直位置處于所述軀干垂直位置指令下限值和所述軀干垂直位置指令上限值之間時，將所述軀干垂直位置指令設(shè)為所述軀干垂直位置。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的機器人控制裝置，其特征在于， 包括輸出所述姿態(tài)檢測值的姿態(tài)檢測器。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的機器人控制裝置，其特征在于， 所述姿態(tài)檢測值包括所述機器人的大腿部角度、膝部角度、以及空閑腿角度。
11.如權(quán)利要求10所述的機器人控制裝置，其特征在于，將膝部絕對角的目標值用作膝部絕對角指令，所述膝部絕對角指令是所述機器人的大腿部角度的函數(shù)，所述膝部絕對角是所述機器人的大腿部角度和膝部角度之和。
12.如權(quán)利要求11所述的機器人控制裝置，其特征在于，求出從所述軀干垂直位置指令減去所述機器人的大腿部長度和所述大腿部角度之積的值，將所述減去后的值除以小腿長度，將所述經(jīng)除法而得的值的反余弦值用作所述膝部絕對角指令。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項所述的機器人控制裝置，其特征在于，空閑腿角度指令是所述機器人的大腿部角度的函數(shù)，所述空閑腿角度指令是所述機器人的空閑腿角度的目標值。
14.如權(quán)利要求13所述的機器人控制裝置，其特征在于，所述空閑腿角度指令是通過將所述大腿部角度的符號取反而得的。
15.一種腿式機器人，包括權(quán)利要求1至14中任一項所述的機器人控制裝置；以及多條腿。
16.一種機器人控制方法，通過驅(qū)動具有多條腿的機器人的關(guān)節(jié)來使所述機器人行走， 其中，基于作為圍繞所述機器人的環(huán)境的信息的環(huán)境檢測值來確定對于所述機器人的軀干垂直位置的容許范圍，并且基于表示所述機器人的姿態(tài)的姿態(tài)檢測值來使所述機器人行走，以使所述軀干垂直位置在所述容許范圍內(nèi)。
17.如權(quán)利要求16所述的機器人控制方法，其中，基于所述環(huán)境檢測值和所述姿態(tài)檢測值來生成軀干垂直位置指令，所述軀干垂直位置指令是所述機器人的軀干垂直位置的目標值。
18.如權(quán)利要求16或17所述的機器人控制方法，其特征在于，計算用于控制機器人機構(gòu)的線性部分的線性部轉(zhuǎn)矩，所述機器人機構(gòu)是所述機器人的機構(gòu)。
19.如權(quán)利要求18所述的機器人控制方法，其特征在于，所述線性部轉(zhuǎn)矩包括控制所述機器人的大腿部角速度的腳踝線性部轉(zhuǎn)矩、控制所述機器人的膝部絕對角的膝部線性部轉(zhuǎn)矩、以及控制所述機器人的空閑腿角度的空閑腿線性部轉(zhuǎn)矩。
20.如權(quán)利要求16至19中任一項所述的機器人控制方法，其特征在于，所述環(huán)境檢測值包括所述機器人的上方的障礙的位置和地面溫度。
21.如權(quán)利要求20所述的機器人控制方法，其特征在于，根據(jù)所述機器人的上方的障礙的位置來設(shè)定所述軀干垂直位置的容許范圍的上限值， 并且根據(jù)地面溫度來設(shè)定所述軀干垂直位置的容許范圍的下限值，當所述軀干垂直位置小于所述軀干垂直位置指令下限值時，將作為所述機器人的軀干垂直位置的目標值的軀干垂直位置指令設(shè)為所述軀干垂直位置指令下限值，當所述軀干垂直位置大于所述軀干垂直位置指令上限值時，將所述軀干垂直位置指令設(shè)為所述垂直位置指令上限值，當所述軀干垂直位置處于所述軀干垂直位置指令下限值和所述軀干垂直位置指令上限值之間時，將所述軀干垂直位置指令設(shè)為所述軀干垂直位置。
22.如權(quán)利要求16至21中任一項所述的機器人控制方法，其特征在于， 所述姿態(tài)檢測值包括所述機器人的大腿部角度、膝部角度、以及空閑腿角度。
23.如權(quán)利要求22所述的機器人控制方法，其特征在于，將膝部絕對角的目標值用作膝部絕對角指令，所述膝部絕對角指令是所述機器人的大腿部角度的函數(shù)，所述膝部絕對角是所述機器人的大腿部角度和膝部角度之和。
24.如權(quán)利要求23所述的機器人控制方法，其特征在于，求出從所述軀干垂直位置指令減去所述機器人的大腿部長度和所述大腿部角度之積的值，將所述減去后的值除以小腿長度，將所述經(jīng)除法而得的值的反余弦值用作所述膝部絕對角指令。
25.如權(quán)利要求16至M中任一項所述的機器人控制方法，其特征在于，空閑腿角度指令是所述機器人的大腿部角度的函數(shù)，所述空閑腿角度指令是所述機器人的空閑腿角度的目標值。
26.如權(quán)利要求25所述的機器人控制方法，其特征在于，所述空閑腿角度指令是通過將所述大腿部角度的符號取反而得的。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的機器人控制裝置通過驅(qū)動具有多條腿的機器人(101)的關(guān)節(jié)來使機器人行走，該機器人控制裝置基于作為圍繞機器人(101)的環(huán)境的信息的環(huán)境檢測值來確定關(guān)于機器人的軀干垂直位置的容許范圍，并基于表示機器人的姿態(tài)的姿態(tài)檢測值來使機器人行走以使軀干垂直位置在容許范圍內(nèi)。
文檔編號B25J13/00GK102333621SQ20108000356
公開日2012年1月25日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者安藤玄 申請人:豐田自動車株式會社