專利名稱：有腿移動式機器人的動作控制裝置和動作控制方法以及機器人裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于有腿移動式機器人的動作控制裝置和動作控制方法，該機器人有大量的關節(jié)自由度，本發(fā)明還涉及機器人裝置；尤其是，本發(fā)明涉及一種用于有腿移動式機器人的動作控制裝置和動作控制方法，該機器人有包括多個可活動的腿，并有基本站立姿勢，本發(fā)明還涉及機器人裝置。
特別是，本發(fā)明涉及一種用于有腿移動式機器人的動作控制裝置和動作控制方法，其中，ZMP(零力矩點)用作姿勢穩(wěn)定性確定標準，以控制軀體在運動過程中的位置以及使軀體穩(wěn)定，尤其是，本發(fā)明涉及一種用于有腿移動式機器人的動作控制裝置和動作控制方法，其中，通過在跌倒(倒下)或下落過程中對整個軀體進行動作控制，從而盡可能地減小否則將對該機器人產生的損害，且通過利用相對較低力矩的穩(wěn)定運動，使得(機器人)從在地面上的姿勢例如仰臥姿勢或俯臥姿勢恢復到站立姿勢，本發(fā)明還涉及機器人裝置。
背景技術：
利用機械或磁作用而進行類似人體動作的運動的機械裝置稱為“機器人”。據(jù)說詞“機器人(robot)”起源于斯拉夫語的詞“ROBOTA”(從動機)。在日本，機器人在二十世紀六十年代末期開始流行。不過，它們的大部分是工業(yè)機器人，例如機械手或運輸機器人，在工廠中用于實現(xiàn)生產的自動化和無人化。
近年來，已經進行了關于有腿移動式機器人的研究和發(fā)展，且預計實際使用的有腿移動式機器人在不斷增加，該有腿機器人例如寵物類型機器人，它們模仿進行四腳行走的動物(例如狗或貓)的身體機構和動作，或者稱為“類似人”或“人形”的機器人(人形機器人)，它們設計成模擬進行兩足直立行走的動物(例如人)的身體機構和動作。
對稱為類似人或人形的機器人的、雙足運動類型的有腿移動式機器人進行研究和開發(fā)的意義，可以從以下兩個觀點來領會。
其中一點是人文科學觀點。特別是，開始行走的人的自然運動的機理可以在工程意義上通過以下方法來闡明，即制造具有類似于人體的下肢和/或上肢的結構的機器人，且該機器人的控制方法設計成模擬人類的行走動作。預計該研究的結果可以對其它各種研究領域的進步有重要影響，這些研究領域涉及人的運動機理，例如人體工程、康復工程或運動工程。
另一點是用于實際應用的機器人的發(fā)展，該機器人作為人類的伙伴，支持人類的生活，也就是，該機器人在每天生活的居住環(huán)境和其它各種場所中支持人的活動。上述類型的機器人需要在由各種生活環(huán)境的人進行教導的同時學習適應各種不同身份的人以及適應環(huán)境的方法。這樣，當機器人是“人形”機器人時，也就是當機器人有與人相同的形狀或相同的結構時，考慮使機器人能夠在人類和機器人之間進行有效的順暢的溝通。
例如，當試圖實際向機器人教導一種穿過房間同時繞過它必須讓開的障礙物的方法(作為教導目標的機器人是雙足運動機器人，有與用戶(操作人員)類似的外形)時，用戶將更容易教導該機器人，且該機器人也比結構與用戶完全不同的機器人更容易學習，這些與用戶完全不同的機器人例如履帶式機器人或四腿機器人(例如參考TAKANISHI的“Control of BipedalLocomotion Robot”，日本汽車工程師協(xié)會(Koso)的Kanto Branch，No.25，1996年，APRIL)。
對于通過雙足活動而進行腿的運動的機器人的姿勢控制或穩(wěn)定行走的技術，已經有大量的方案。這里，穩(wěn)定“行走”可以定義為“通過使用腿而在不跌倒的情況下運行”。
為了防止機器人跌倒，機器人的姿勢穩(wěn)定控制非常重要。這是因為機器人的跌倒意味著將打斷正在進行的工作，并需要大量的人工和時間來使機器人從跌倒狀態(tài)變成豎直站立并重新開始工作。重要的是，跌倒可能對機器人自身造成嚴重損害，或者還將損壞該跌倒的機器人所碰撞的物體。因此，在有腿移動式機器人的研究和發(fā)展中，在行走或腿的其它任何操作中，姿勢穩(wěn)定控制被認為是一個最重要的技術目標。
當機器人行走時，重力和慣性力以及由重力引起的力矩和由行走運動產生的加速度將從機器人的行走系統(tǒng)作用在路面上。根據(jù)“d’Alembert原理”，它們與從路面作用到行走系統(tǒng)上的地面反作用力和地面反作用力力矩平衡。根據(jù)力學原理，俯仰軸力矩和滾轉力矩為零處的點(也就是“ZMP(零力矩點)”)在由腳底和路面的著地點(接觸點)形成的支承多邊形的邊上或內部。
涉及有腿移動式機器人的姿勢穩(wěn)定控制以及防止在行走時跌倒的大部分方案利用ZMP作為確定行走的穩(wěn)定性的準則?；赯MP準則產生的雙足運動模式優(yōu)選是使腳底的著地點可以預先設置，且很容易考慮根據(jù)路面形狀的腳底運動約束條件。而且，采用ZMP作為穩(wěn)定性判斷準則并不意味著不處理力，而是將軌跡作為動作控制的目標值，因此，它在技術上增加了可行性。應當知道，在Miomir Vukobratovi’c，“LEGGED LOCOMOTIONROBOTS”(Ichiro KATO等，“Walking Robot and Artificial Feet”，NikkanKogyo Shimbun，Ltd.)中公開了ZMP的概念以及將該ZMP用于穩(wěn)定性判斷準則。
一般情況下，雙足運動機器人例如人形的機器人與四腳行走機器人相比重心位置更高，且在行走時的ZMP穩(wěn)定區(qū)域更窄。因此，由各種路面條件引起的姿勢變化問題對于雙足運動機器人特別重要。
已有多個方案利用ZMP作為雙足運動機器人的姿勢穩(wěn)定性判斷準則。
例如，日本特開平5-305579中公開的一種有腿移動式機器人通過使ZMP為零時在地面上的點與目標值重合而進行穩(wěn)定行走。
同時，日本特開平5-305581中公開的另一種有腿移動式機器人設置成使ZMP位于支承多面體(多邊形)的內部，或者在著地或離地時使ZMP位于離支承多邊形的端部有至少預定余量的位置處。這時，即使有腿移動式機器人受到某些擾動，它也有預定距離的ZMP余量，因此提高軀體在行走時的穩(wěn)定性。
另外，日本特開平5-305583公開了有腿移動式機器人的行走速度根據(jù)ZMP目標位置來控制。特別是，使用預先設定的行走模式數(shù)據(jù)，驅動腿部關節(jié)，這樣，ZMP可以與目標位置重合，且檢測軀體上部的傾斜度，并根據(jù)該檢測值改變設定行走模式數(shù)據(jù)的排出率(discharging rate)。當機器人在未知的凹形或凸形地點行走并向前傾斜時，它的姿勢可以通過提高排出率而恢復。而且，因為ZMP控制為目標位置，因此，即使在雙支承情況下改變排出率時也沒有問題。
日本特開平5-305585公開了根據(jù)ZMP目標位置來控制有腿移動式機器人的著地位置。特別是，在所述專利文獻中所述的有腿移動式機器人檢測ZMP目標位置和實際測量位置之間的距離，并驅動一個或兩個腿部，從而可以消除該距離?；蛘哂型纫苿邮綑C器人檢測環(huán)繞ZMP目標位置的力矩，并驅動腿部，從而可以使該力矩減為零。因此，該有腿移動式機器人可以穩(wěn)定地行走。
日本特開平5-305586公開了根據(jù)ZMP目標位置來控制有腿移動式機器人的傾斜姿勢。特別是，檢測環(huán)繞ZMP目標位置的力矩，且當出現(xiàn)力矩時驅動腿部，因此可以使力矩減至零，從而穩(wěn)定地行走。
采用ZMP作為穩(wěn)定性判斷準則的機器人的姿勢穩(wěn)定控制，基本在于試圖使力矩為零的點處在由腳底和路面的著地點形成的支承多邊形的邊上或者該多邊形內部。
如上所述，對于有腿移動式機器人，試圖采取引入ZMP作為姿勢穩(wěn)定準則這樣的措施來防止機器人在行走過程中或者執(zhí)行其它動作過程中跌倒。
自然，機器人的跌倒狀態(tài)意味著將打斷正在進行的工作，并需要大量的人工和時間來使機器人從跌倒狀態(tài)變成豎直站立并重新開始工作。而且，重要的是，跌倒可能對機器人自身造成嚴重損害，或者還將損壞該跌倒的機器人所碰撞的物體。
盡管可以更好地進行姿勢穩(wěn)定控制以防止機器人跌倒，但是該機器人仍然可能由于在控制中的某些缺陷而失去姿勢的穩(wěn)定性，某些不可預測的外部因素(例如與其它物體的意外碰撞、路面情況例如在地面上的凸起或凹坑、出現(xiàn)的障礙物等)達到使該機器人不能只通過它的活動腿來支承的程度時，也將導致跌倒。
特別是，對于用腿進行雙足行走的機器人例如人形機器人，因為重心的位置較高，且該機器人的豎直站立靜止狀態(tài)本身就不穩(wěn)定，因此該機器人很可能跌倒。當機器人跌倒時，可能對機器人自身造成嚴重損害，或者將損壞該機器人跌倒時碰撞的物品。
例如日本特開平11-48170公開了一種用于有腿移動式機器人的控制裝置，通過該控制裝置，當該有腿移動式機器人處于看起來要跌倒的位置時，將盡可能減小由于跌倒而對該機器人造成的損害，或者減小對該機器人在跌倒時可能碰撞的物品的損害。
不過，該專利文獻只提出控制成使機器人的重心在將跌倒時降低，但是沒有討論為了在機器人實際跌倒時使可能的損害減至最小而應當對整個身體(不僅包括腿部，還包括軀體和臂部)進行操作的方式。
對于豎直站立行走類型的有腿移動式機器人，當考慮進行身體運動例如行走時，所參考的姿勢是機器人利用兩腳豎直站立時的姿勢。例如，當機器人在各種站立姿勢中處于最穩(wěn)定時的狀態(tài)(也就是當不穩(wěn)定性最小時的點)可以作為基本站立姿勢。
如上述的基本站立姿勢需要通過用于腿部等的關節(jié)軸向馬達執(zhí)行姿勢穩(wěn)定控制和控制指令來產生力矩。換句話說，在無功率供給狀態(tài)下，站立姿勢不能穩(wěn)定。因此，優(yōu)選是考慮使機器人從在地面上的姿勢來開始驅動，當處于在地面上的姿勢時，該機器人在物理上最穩(wěn)定，在地面上的姿勢例如仰臥姿勢或俯臥姿勢。
不過，即使可以將功率供給處于如上述在地面上的姿勢的機器人，但是如果機器人不能獨立站起來，那么操作人員必須用手來提升該機器人身體，這使得操作人員不方便。
而且，當機器人采取站立姿勢并進行行走或者進行其它獨立的腿操作時，它基本在不跌倒的情況下用腿來進行運行。不過，該機器人有時可能不幸跌倒。當機器人在具有各種障礙物和不可預測情況的人類居住環(huán)境中工作時，必然會“跌倒”。首先，人們也可能跌倒。還有，在這種情況下，當操作人員必須用手來提升機器人身體時將很不方便。
如果機器人在每次采取在地面上的姿勢時都不能自己站起來，那么它根本不能在無人環(huán)境中工作，且不能自己完成工作。因此，該機器人不能置于完全獨立的環(huán)境中。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種超級有腿移動式機器人以及一種用于有腿移動式機器人的超級跌倒動作(倒下動作)控制方法，因此，通過在跌倒和跌落過程中控制整個身體(不僅包括腿部，還包括軀體和臂部)，從而盡可能減小在其它情況下可能對機器人造成的損害。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于有腿移動式機器人的超級動作控制裝置和動作控制方法以及超級機器人裝置，通過它們，機器人可以獨立地從地面上的姿勢例如仰臥姿勢或俯臥姿勢恢復到它的站立姿勢。
本發(fā)明的還一目的是提供一種用于有腿移動式機器人的超級動作控制裝置和動作控制方法以及超級機器人裝置，通過它們，機器人可以通過具有相對較低力矩的穩(wěn)定動作而從在地面上的姿勢例如仰臥姿勢或俯臥姿勢恢復到它的站立姿勢。
針對上述提出了本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于有腿移動式機器人的動作控制裝置和動作控制方法，該有腿移動式機器人包括可運動的腿，并可在站立姿勢下進行腿操作，其特征在于該有腿移動式機器人有多個位置或狀態(tài)，且該動作控制裝置或方法包括第一裝置或第一步驟，用于計算由有腿移動式機器人的身體的著地點(與地板的接觸點)和地板形成的支承多邊形的面積S；第二裝置或第二步驟，用于計算支承多邊形的面積S隨每時間Δt的變化ΔS/Δt；以及第三裝置或第三步驟，用于在根據(jù)支承多邊形的面積S或該面積S的變化率ΔS/Δt而在要改變位置或狀態(tài)時確定身體的動作。
在很多有腿移動式機器人中，ZMP用作穩(wěn)定性判斷準則，因此，可以在特定腿操作例如行走期間保持身體的姿勢穩(wěn)定。通過本發(fā)明第一方面的、用于有腿移動式機器人的動作控制裝置或動作控制方法，當機器人改變它的姿勢或狀態(tài)時，例如當機器人處于行走或豎直站立狀態(tài)時或者當機器人在跌倒等之后而從水平躺倒的姿勢站起來時，身體的動作模式根據(jù)由身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S或者該面積S的變化率ΔS/Δt而連續(xù)確定。因此，可以實現(xiàn)跌倒動作或站起來的動作，從而能夠在降低負載的情況下更高效的執(zhí)行這些動作。
這里，第三裝置或步驟可以包括著地位置尋找裝置(用于尋找接觸部分的裝置)或著地位置尋找步驟(尋找接觸部分的步驟)，用于在有腿移動式機器人跌倒時根據(jù)由身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S的時間Δt變化來尋找著地位置(部分)；目標著地點(目標接觸點)設置裝置或目標著地點設置步驟，用于設置目標著地點，由著地位置尋找裝置選擇的位置應當在該目標著地點著地(與地板接觸)，這樣，由身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S隨時間Δt的變化ΔS/Δt可以減至最小；以及位置著地裝置，用于著地在由著地部分尋找裝置或在著地部分尋找步驟中選定的位置，位于由目標著地點設置裝置或在目標著地點設置步驟中設置的目標著地點處。
當有腿移動式機器人在站立姿勢執(zhí)行腿操作時，它通過地板反作用力傳感器、布置在(安裝在)腳底的加速度傳感器或布置在身體的腰部位置的加速度傳感器等來檢測施加給身體的外力。然后，有腿移動式機器人根據(jù)這樣檢測的外力來建立ZMP平衡等式，以正常設計ZMP軌跡，這樣，施加給身體的力矩彼此平衡的ZMP可以布置在由腳底的著地點和地板形成的支承多邊形上或內部，從而執(zhí)行姿勢穩(wěn)定控制。
不過，當由于施加在身體上的外力過高或路面情況不利而使在ZMP平衡等式上的力矩誤差不能消除時，有時很難或不能根據(jù)ZMP軌跡設計而將ZMP布置在支承多邊形中。在這種情況下，本發(fā)明的有腿移動式機器人放棄身體的姿勢穩(wěn)定控制，并執(zhí)行預定的跌倒動作，以減小跌倒在地板上時對身體的損害。
特別是，在跌倒時，有腿移動式機器人尋找使得由身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S隨時間Δt的變化ΔS/Δt最小的位置(部分)，并設置使得由身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S隨時間Δt的變化ΔS/Δt最小的目標著地點，然后使該位置落在地板上。然后，有腿移動式機器人進一步擴大通過著地而新形成的支承多邊形。
然后，有腿移動式機器人重復執(zhí)行尋找使得變化ΔS/Δt最小的位置和使得變化ΔS/Δt最小的目標著地點位置著地的動作以及擴大新形成的支承多邊形的動作，直到身體的勢能減至最小，并結束跌倒動作。
當支承多邊形的面積S隨時間Δt的變化ΔS/Δt最小，且落在地板上時的支承多邊形最大時，通過跌落而由地板施加的沖擊可以分散的整個身體上，從而使得對身體的損害減至最小。當有腿移動式機器人看成連桿結構，其中多個具有關節(jié)自由度的基本平行關節(jié)軸縱向彼此連接時，通過將使得非著地(不與地板接觸)連桿的數(shù)目最大的連桿設置為目標，可以減緩沖擊力。
而且，有腿移動式機器人例如可以由連桿結構形成，其中多個具有關節(jié)自由度的基本平行關節(jié)軸縱向彼此連接，且第三裝置和步驟包括用于當有腿移動式機器人從它的跌倒狀態(tài)返回時從著地多邊形(與地板接觸)中尋找由最少數(shù)目的連桿形成的最窄支承多邊形的裝置或步驟，在有腿移動式機器人處于地板姿勢時，該著地多邊形由著地連桿(與地板接觸)形成，在有腿移動式機器人地板姿勢中，包括位于身體重心的重心連桿的兩個或更多連桿落在地板上(與地板接觸)；用于使得除了尋找出的支承多邊形的著地連桿之外的著地多邊形的著地連桿離地的裝置或步驟；用于使非著地連桿中的兩個或更多連續(xù)連桿彎曲的裝置或步驟，直到端部連桿的端部到達地板上，從而形成更狹窄的著地多邊形；以及用于使位于連桿結構一端側、數(shù)目比第一預定數(shù)目多的連桿離地的裝置或步驟，以隨著支承多邊形充分狹窄而使身體豎直站立。
其中，連桿結構至少包括沿身體的高度方向彼此連接的肩關節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸。也就是，有腿移動式機器人的身體可以包括除了它們外的另外關節(jié)俯仰軸。而且，各關節(jié)位置可以包括環(huán)繞與俯仰軸不同的滾轉軸和左、右搖擺軸的旋轉自由度。
由落在地板上的多個身體端部形成的多邊形成為著地多邊形。同時，有ZMP的著地多邊形成為支承多邊形。ZMP的穩(wěn)定區(qū)域是可以在支承多邊形中穩(wěn)定控制姿勢，從而穩(wěn)定控制機器人的區(qū)域。
在有腿移動式機器人的基本地板姿勢(例如仰臥姿勢或俯臥姿勢)中，使肩關節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸相互連接的所有連桿都落在地板上。另一方面，在基本站立姿勢或行走姿勢中，使肩關節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸相互連接的所有連桿都離開地板，并沿基本垂直方向對齊。
當機器人從地板姿勢轉變成站立姿勢而站起來時，與機器人保持普通站立姿勢或執(zhí)行行走動作的情況相比，相關關節(jié)促動器需要更高扭矩輸出。根據(jù)本發(fā)明，通過利用使ZMP支承多邊形最小的姿勢來執(zhí)行站起來的動作，可以通過更小的驅動扭矩來實現(xiàn)站起來的操作。
首先，在機器人的幾乎所有連桿都落在地板上的地板姿勢中，從由著地連桿形成的著地多邊形中尋找最狹窄的支承多邊形。這時，判斷當在身體的一端側的至少兩個或更多連桿離開地板時是否可以設計ZMP。
例如，當使軀體俯仰軸和髖關節(jié)俯仰軸相互連接的連桿選擇作為重心連桿并保持著地連桿(與地板接觸)時，尋找更狹窄的支承多邊形。確定ZMP的可設計性，將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。然后，試圖使一端側的、包括肩關節(jié)俯仰軸的兩個或更多連續(xù)連桿離地。
然后，在保持形成支承多邊形的著地連桿時，在著地多邊形的一端側的兩個或更多連續(xù)連桿離開地板，然后，該一端側的一個或多個非著地連桿彎曲，以使該端部連桿的地板著地，以形成更狹窄的著地多邊形。
例如，連桿結構一端側的、包括肩關節(jié)的兩個或更多連桿作為與支承多邊形無關的連桿離開地板。然后，在包括肩關節(jié)的兩個或更多連桿離開地板的狀態(tài)下，肩關節(jié)俯仰軸彎曲，從而使作為端部連桿的端部的手落在地板上。然后，該手逐漸朝著軀體俯仰軸側(該軀體俯仰軸側是身體重心的位置)運動，以形成比初始地板姿勢更狹窄的著地多邊形。
而且，在著地多邊形中，尋找最狹窄的支承多邊形。這時，在另一端側的至少兩個或更多連桿離開地板，并判斷ZMP是否可設計。判斷ZMP的可設計性可以考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。
例如，當使軀體俯仰軸和髖關節(jié)俯仰軸相互連接的連桿選擇作為重心連桿并保持著地連桿(與地板接觸)時，試圖使另一端側的、包括膝關節(jié)俯仰軸的兩個或更多連續(xù)連桿離地。
例如，在保持形成支承多邊形的著地連桿時，在著地多邊形的另一端側的兩個或更多連續(xù)連桿離開地板。然后，該另一端側的一個或多個非著地連桿彎曲，以使該端部連桿的地板著地，以形成更狹窄的著地多邊形。
例如，在包括膝關節(jié)的兩個或更多連桿離開地板的狀態(tài)下，膝關節(jié)俯仰軸彎曲，從而使作為端部連桿的端部的腳底落在地板上。然后，該腳底逐漸朝著髖關節(jié)俯仰軸側(該髖關節(jié)俯仰軸側是身體重心的位置)運動，以形成比初始地板姿勢更狹窄的著地多邊形。
然后，判斷重心連桿是否能夠在著地多邊形的相對端部連桿的端部保持著地的狀態(tài)下離開地板，以判斷支承多邊形是否充分狹窄。判斷重心連桿是否能夠離開地板將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。
例如，判斷使軀體俯仰軸和髖關節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠在作為著地多邊形的相對端連桿的端部的手和腳底保持著地的狀態(tài)下離開地板，以判斷支承多邊形是否充分狹窄。
然后，隨著身體的支承多邊形充分狹窄，重心連桿在支承多邊形的相對端連桿的端部保持著地的狀態(tài)下離開地板，支承多邊形的相對端連桿的端部之間的距離減小，同時ZMP保持在由著地連桿形成的支承多邊形中并在相對端連桿處，以使ZMP運動至連桿結構的另一端側。這時，判斷ZMP是否能夠運動到另一端側將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。
例如，在作為著地多邊形的相對端連桿的端部的手和腳底保持著地狀態(tài)時，使軀體俯仰軸和髖關節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿離開地板，且手和腳底之間的距離逐漸減小，以使ZMP朝著腳底運動。
然后，隨著ZMP進入僅由數(shù)目第二預定數(shù)目少、位于連桿結構另一端的非著地連桿形成的著地多邊形中，在ZMP保持處于著地多邊形中時，數(shù)目第一預定數(shù)目多、位于連桿結構一端側的的連桿離開地板，以沿縱向方向擴展著地多邊形，從而完成站起來的動作。
例如，隨著ZMP進入由腳底形成的著地多邊形內，在ZMP保持處于著地多邊形中時，從肩關節(jié)俯仰軸到踝關節(jié)俯仰軸的連桿離開地板，且這些非著地連桿沿縱向方向伸展，以完成站起來的動作。
當在站起來的最終階段非著地連桿沿縱向方向伸展時，保證在身體的動作中高效地使用具有相對較大質量操作量的膝關節(jié)俯仰軸來執(zhí)行動作。
應當知道，為了形成更狹窄的著地多邊形，當非著地連桿環(huán)繞肩關節(jié)俯仰軸彎曲，以使作為端部連桿的端部的手落在地板上時，各臂部可以操作成滿足以下表達式。應當知道，上臂的長度由l1表示，前臂的長度由l2表示，肩滾轉角度由α表示，肘俯仰軸角度由β表示，從肩到手的長度由l12表示，由使肩和手相互連接的線所確定的角度由γ表示，肩的高度由h表示。
l12＝l1cosα+l2sin(α+β-90)l12sinγ＜h特別是，通過使肘俯仰軸執(zhí)行彎曲運動以代替使肩滾轉軸操作，左、右手可以利用身體后面的更小使用體積而著地。
根據(jù)與最小支承多邊形無關的兩個或更多連桿是否能夠離開地板，用于產生更狹窄的著地多邊形的裝置或步驟可以選擇利用手部或腳部在地板上的步進變化動作和拖動動作中的一種，以形成更狹窄的著地多邊形。
當在連續(xù)形成更小的著地多邊形的處理中，只利用手部或腳部的步進變化動作時，為了利用步進變化動作，手部或腳部需要離開地板，且必須存在與支承多邊形無關的兩個或更多連桿。不過，根據(jù)身體的姿勢，有時不能執(zhí)行步進變化動作。這時，站起來的動作自身將失敗。相反，當利用手部或腳部的拖動動作時，可以減小站起來的動作失敗的可能性。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于有腿移動式機器人的動作控制裝置和動作控制方法，該有腿移動式機器人包括可運動的腿，并能夠在站立姿勢下執(zhí)行腿的操作，它包括用于計算在身體跌倒的各階段向有腿移動式機器人的身體施加的沖擊力矩的裝置或步驟；用于計算在跌倒的各階段從地板向身體施加的沖擊力的裝置或步驟；用于計算由身體的著地點(接觸點)和地板形成的支承多邊形的面積S的裝置或步驟；第一著地位置尋找裝置或第一著地位置尋找步驟，用于選擇下一著地位置，從而使支承多邊形的面積S可以減至最小或固定；以及第二著地位置尋找裝置或第二著地位置尋找步驟，用于選擇下一著地位置，從而使支承多邊形的面積S可以增加。
這時，通過利用第一著地位置尋找裝置使支承多邊形的面積S減至最小或固定，可以避開施加給身體的沖擊力矩。這時，身體可以前后運動，以使它的支承面運動。同時，通過利用第二著地位置尋找裝置選擇著地位置，以使支承多邊形的面積S可以突然增加，在跌倒時由地板施加給身體的沖擊力可以減緩。因此，當由地板施加給身體的沖擊力在預定允許值范圍內時，身體的跌倒動作將通過第二著地位置尋找裝置或步驟來執(zhí)行，但是當沖擊力超出預定允許值范圍時，身體的跌倒動作將通過第一著地位置尋找裝置或步驟來執(zhí)行。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了用于控制關于有腿移動式機器人的身體的跌倒和站起來的一系列動作的動作控制裝置或動作控制方法，該有腿移動式機器人避開可運動的腿，并在站立姿勢下執(zhí)行腿的操作，其特征在于該有腿移動式機器人由連桿結構形成，其中，多個具有關節(jié)自由度的基本平行關節(jié)軸沿縱向方向彼此連接；以及該動作控制裝置或方法包括用于當?shù)匕遄藙輹r，從由著地連桿形成的著地多邊形中尋找由最小數(shù)目的連桿形成的最狹窄的支承多邊形的裝置或步驟，其中，當有腿移動式機器人跌倒時，包括位于身體的重心的重心連桿的兩個或更多連桿落在地板；用于將ZMP設置在使與最小支承多邊形無關的連桿數(shù)目最小時的位置的裝置或步驟，以執(zhí)行跌倒動作；用于尋找在身體的跌倒位置中能夠離開地板的連桿的裝置或步驟；以及用于使能夠離開地板的所有連桿都離地的步驟，以執(zhí)行站起來的動作。
當身體的重心在腰部時，ZMP可以設置在使與最小支承多邊形無關的連桿數(shù)目最小的位置處。在該跌倒和著地動作后，能夠離開地板的所有連桿都離開地板，也就是下肢和軀體升高，以使身體的上部和下肢同時離開地板。然后，腳部、手部等著地。因此，可以以更少的步驟來形成更小的著地多邊形。因此，可以以更高速度高效實現(xiàn)站起來的動作。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種機器人裝置，該機器人裝置有軀體部分、與該軀體部分相連的腿部以及與該軀體部分相連的手部，它包括支承多邊形檢測裝置，用于檢測當腿部、軀體部分和/或臂部著地時由該腿部、軀體部分和/或臂部的多個端部形成的第一支承多邊形；支承多邊形改變裝置，用于使腿部朝著軀體部分彎曲，以減小第一支承多邊形的面積；ZMP動作控制裝置，用于判斷位于改變的第一支承多邊形中的ZMP能否運動至由腿部的腳底形成的著地多邊形中；以及控制裝置，用于當ZMP動作控制裝置判斷ZMP能夠運動時使ZMP從第一支承多邊形內運動至由腳底形成的著地多邊形中，并當ZMP保持在著地多邊形中時使機器人裝置的位置從跌倒位置變化成基本姿勢。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種有腿移動式機器人，該有腿移動式機器人至少包括身體；一個或多個臂連桿，該臂連桿分別通過第一關節(jié)(肩)與身體的上部連接；第一腿連桿，該第一腿連桿通過第二關節(jié)(髖關節(jié))與身體的底部連接；第二腿連桿，該第二腿連桿通過第三關節(jié)(膝)與第一腿連桿的端部連接，該有腿移動式機器人包括用于使臂連桿的端部和在第二腿連桿端頭的頭部著地，以形成第一支承多邊形；用于在臂連桿的端頭和腳部保持著地時使得沿垂直于地板的方向比第三關節(jié)更高的第二關節(jié)向上運動的裝置，從而減小第一支承多邊形的面積，并使ZMP運動至由腳部形成的著地多邊形中；以及用于當ZMP保持在由腳部形成的著地多邊形中時使機器人裝置的身體豎直站立的裝置。
通過本發(fā)明的機器人裝置，身體能夠從跌倒位置返回站立姿勢，同時減小支承多邊形的面積。因此，用于腿部等的關節(jié)促動器能夠通過相對較低扭矩執(zhí)行站起來的動作。
通過下面基于本發(fā)明實施例和附圖的說明，可以清楚本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點。


圖1是表示采用了本發(fā)明的有腿移動式機器人處于豎直站立狀態(tài)時從斜前方看的示意圖；圖2是表示采用了本發(fā)明的有腿移動式機器人處于豎直站立狀態(tài)時從斜后方看的透視圖；圖3是表示有腿移動式機器人的關節(jié)自由度結構的示意圖；圖4是示意表示有腿移動式機器人100的基本控制系統(tǒng)的視圖；圖5是表示有腿移動式機器人100的運動系統(tǒng)轉變的基本狀態(tài)的視圖；圖6是表示有腿移動式機器人100的基本仰臥姿勢的視圖；圖7是表示有腿移動式機器人100的基本俯臥姿勢的視圖；圖8是表示有腿移動式機器人100的基本站立姿勢的視圖；圖9是表示有腿移動式機器人100的基本行走姿勢的視圖；圖10是表示有腿移動式機器人100的多質點近似模型的示意圖；圖11是表示腰部周圍部分的多質點近似模型的放大圖；圖12是表示產生身體運動的處理步驟的流程圖，通過該處理步驟，有腿移動式機器人100可以穩(wěn)定行走；圖13是表示當有腿移動式機器人100進行腿操作時用于身體的動作控制的總體處理步驟的流程圖；圖14是表示當身體跌倒時保持支承面積的原理示意圖；圖15是表示當身體跌落到地面上時支承多邊形變得最大的原理示意圖；圖16是表示當有腿移動式機器人100向后跌倒成仰臥姿勢時保持跌倒時的支承面積的動作的視圖；
圖17是表示當有腿移動式機器人100向后跌倒成仰臥姿勢時保持跌倒時的支承面積的動作的視圖；圖18是表示當有腿移動式機器人100向前跌倒成俯臥姿勢時保持跌倒時的支承面積的動作的視圖；圖19是表示當有腿移動式機器人100向前跌倒成俯臥姿勢時保持跌倒時的支承面積的動作的視圖；圖20是表示根據(jù)本實施例的有腿移動式機器人100因為腿部意外的情況而執(zhí)行跌倒動作時的處理步驟的流程圖；圖21是表示有腿移動式機器人100在通過關節(jié)俯仰軸的同步配合驅動而跌倒成仰臥姿勢時的動作的視圖，其中，該有腿移動式機器人是作為連桿結構的模型，它包括沿垂直方向連接的多個基本平行的軸，例如肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝關節(jié)俯仰軸14；圖22至38是表示有腿移動式機器人100從它的站立姿勢跌倒成仰臥姿勢的方式的側視圖；圖39至55是表示有腿移動式機器人100從它的站立姿勢跌倒成仰臥姿勢的方式的透視圖；圖56是表示有腿移動式機器人100在通過關節(jié)俯仰軸的同步配合驅動而跌倒成俯臥姿勢時的動作的視圖，其中，該有腿移動式機器人是作為連桿結構的模型，它包括沿垂直方向連接的多個基本平行的軸，例如肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝關節(jié)俯仰軸14；圖57至73是表示有腿移動式機器人100從它的站立姿勢跌倒成俯臥姿勢的方式的側視圖；圖74至90是表示有腿移動式機器人100從它的站立姿勢跌倒成俯臥姿勢的方式的透視圖；圖91是表示當本發(fā)明實施例的有腿移動式機器人100通過肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝關節(jié)俯仰軸14的同步配合驅動而執(zhí)行站起來的動作的處理步驟的流程圖；圖92是以關節(jié)連桿模型形式表示當本發(fā)明實施例的有腿移動式機器人100通過肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝關節(jié)俯仰軸14的同步配合驅動而執(zhí)行從它的仰臥姿勢站起來的動作的方式的視圖；圖93是表示不包括軀體俯仰軸的有腿移動式機器人通過多個關節(jié)俯仰軸的同步驅動而執(zhí)行從它的仰臥姿勢站起來的動作的方式的視圖；圖94至111是表示有腿移動式機器人100從它的基本仰臥姿勢站起來的方式的側視圖；圖112至129是表示有腿移動式機器人100從它的基本仰臥姿勢站起來的方式的透視圖；圖130是左、右手與身體后面的地板接觸時的一系列動作的變化視圖；圖131是左、右手與身體后面的地板接觸時的一系列動作的變化的視圖；圖132是表示圖130和131中所示的臂的動作的視圖；圖133是表示圖92中所示的有腿移動式機器人的視圖，但是為概括形式，其中它由連桿機構代替；圖134是以關節(jié)連桿模型形式表示當本發(fā)明實施例的有腿移動式機器人100通過肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝關節(jié)俯仰軸14的同步配合驅動而執(zhí)行從它的俯臥姿勢站起來的動作的方式的視圖；圖135是表示有腿移動式機器人100從它的基本俯臥姿勢站起來的方式的側視圖；圖136至153是表示有腿移動式機器人100從它的基本俯臥姿勢站起來的方式的側視圖；圖154至172是表示有腿移動式機器人100從它的基本俯臥姿勢站起來的方式的透視圖；圖173是判斷是否獲得充分的狹窄支承多邊形的處理步驟的流程圖；圖174是表示利用手部和腳部的拖曳動作和腳步改變動作進行站起來的操作的流程圖；圖175至191是表示有腿移動式機器人100利用手部和腳部的拖曳動作和腳步改變動作而從它的基本俯臥姿勢站起來的方式的側視圖；圖192至198是表示當在跌倒動作之后接著執(zhí)行站起來的動作時身體的一系列動作的視圖；以及圖199是表示用于尋找當與最小支承多邊形無關的連桿數(shù)目最大時的連桿和連桿位置的處理步驟的流程圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細介紹本發(fā)明的實施例。
A.有腿移動式機器人的機械結構下面參考圖1和2，采用本發(fā)明的“類似人”或“人形”的有腿移動式機器人100表示為當豎直站立時，分別從斜前方和斜后方看的視圖。如圖1和2所示，有腿移動式機器人100包括身體部分、頭部、左、右上肢部分以及用于進行腿的運行的左、右下肢部分?？刂撇糠?未示出)例如布置在身體部分內，并總體控制身體的動作。
左、右下肢部分分別包括大腿區(qū)域、膝關節(jié)、脛骨部分、踝以及腳，并通過髖關節(jié)連接在軀體部分的基本最底端。同時，左、右上肢部分分別包括上臂、肘關節(jié)和前臂，并通過肩關節(jié)與軀體部分的上部的左、右側邊緣連接。而且，頭部通過頸關節(jié)與軀體部分的基本最上端的中間部分連接。
控制部分包括殼體，控制器(主控制部分)、電源線和其它外圍裝置裝于該殼體中，該控制器用于控制驅動有腿移動式機器人的各個關節(jié)促動器，并處理來自各個傳感器(下面將介紹)和類似元件的外部輸入?？刂撇糠挚梢粤硗獍ㄍㄐ沤缑婊蛲ㄐ叛b置，用于進行遙控。
具有上述結構的有腿移動式機器人可以通過由控制部分控制的整體配合動作來進行雙足運動。如上述的雙足運動通常通過重復進行分成以下動作階段的行走循環(huán)來執(zhí)行。特別是，(1)單足支承階段，其中，有腿移動式機器人在右腿升高的情況下利用左腿行走；(2)雙足支承階段，其中，右腿與地面接觸；(3)另一單足支承階段，其中，有腿移動式機器人在左腿升高的情況下利用右腿行走；(4)另一雙足支承階段，其中，左腿與地面接觸。
有腿移動式機器人100的行走控制通過預先設計各下肢的目標軌跡以及在上述各個階段校正該設計軌跡而實現(xiàn)。特別是，在各雙足支承階段，下肢軌跡的校正停止，并利用設計軌跡的總校正量將腰部的高度校正為固定值。另一方面，在各單足支承階段，產生校正軌跡，這樣，在進行校正的腿的踝和腰部之間的相對位置關系返回到設計軌跡。
為了從行走動作的軌跡校正開始穩(wěn)定控制身體的姿勢，通常采用使用五維多項式的內插計算，這樣，位置、速度以及用于使相對于目標ZMP(零力矩點)的偏移最小的加速度可以連續(xù)。ZMP用作判斷行走的穩(wěn)定性的準則。通過ZMP的穩(wěn)定性判斷準則基于“d′Alembert原理”，即從機器人的行走系統(tǒng)作用在路面上的重力和慣性力以及它們的力矩將與從路面作用到行走系統(tǒng)上的地面反作用力和地面反作用力力矩平衡。根據(jù)力學原理，俯仰軸力矩和滾轉力矩為零處的點(也就是“ZMP”)在由腳底和路面的著地點形成的支承多邊形(也就是ZMP穩(wěn)定區(qū)域)的邊上或內部。
圖3示意表示了有腿移動式機器人100的關節(jié)自由度結構。如圖3所示，該有腿移動式機器人100結構有多個肢，包括上肢，該上肢包括兩個臂部和頭部；下肢，該下肢包括用于實現(xiàn)運行運動的兩個腿部和用于使上肢和下肢相互連接的軀體部分。
用于支承頭部的頸關節(jié)(頸)有4個自由度，包括頸關節(jié)左、右搖擺軸1、第一和第二頸關節(jié)俯仰軸2A和2B、以及頸關節(jié)滾轉軸3。
同時，各臂部包括作為它的自由度的肩的肩關節(jié)俯仰軸4、肩關節(jié)滾轉軸5、上臂左、右搖擺軸6、肘的肘關節(jié)俯仰軸7、腕的腕關節(jié)左、右搖擺軸8以及手部。該手部實際上是包括多個手指的多關節(jié)、多自由度結構。
另一方面，軀體部分(軀體)有2自由度，包括軀體俯仰軸9和軀體滾轉軸10。
形成下肢的腿部別包括髖關節(jié)(臀部)的髖關節(jié)左、右搖擺軸11、髖關節(jié)俯仰軸12和髖關節(jié)滾轉軸13；膝蓋的膝關節(jié)俯仰軸14；踝的踝關節(jié)俯仰軸15和踝關節(jié)滾轉軸16；以及腳部。
應當知道，用于娛樂的有腿移動式機器人100并不需要有上述所有自由度，也并不是只能有上述自由度。當然，根據(jù)設計或制造的限制條件或所需規(guī)格，可以合適增加或減少自由度，也就是關節(jié)的數(shù)目。
具有上述結構的有腿移動式機器人100的自由度實際上利用促動器實現(xiàn)。優(yōu)選是，該促動器的尺寸小且重量輕，因為該有腿移動式機器人通過除去外表的多余隆起部分而類似人類的自然形狀，并對進行雙足運動的不穩(wěn)定結構進行姿勢控制。在本實施例中包括了直接齒輪嚙合類型的小尺寸AC伺服促動器，且在該伺服促動器中，伺服控制系統(tǒng)形成為單個芯片，并安裝在馬達單元中(上述類型的AC伺服促動器例如在日本特開2000-299970中公開，該專利已經轉讓給本申請的申請人)。在本實施例中，低速減速齒輪用作直接齒輪傳動機構，以獲得該類型機器人所需的驅動系統(tǒng)的從動特征，對于該機器人，重要的是與人進行身體的相互作用。
B.有腿移動式機器人的控制系統(tǒng)結構圖4示意表示了有腿移動式機器人100的控制系統(tǒng)結構。參考圖4，有腿移動式機器人100包括機械單元30、40、50R/L和60R/L，它們代表人的肢體；以及控制單元80，該控制單元80進行合適控制，以實現(xiàn)機械單元的配合運動(應當知道，參考符號R和L作為后綴添加，用于表示右側和左側之間的區(qū)別。這同樣用于下面的說明書中)。
整個有腿移動式機器人100的運動總體由控制單元80控制。該控制單元80包括主控制部分81，該主控制部分81由主電路部件(未示出)例如CPU(中心處理單元)和存儲器形成；以及外設電路82，該外設電路包括供電電路、用于向有腿移動式機器人100的部件傳送數(shù)據(jù)和指令以及從該部件接收數(shù)據(jù)和指令的界面(都未示出)、以及其它所需元件。
當實施本發(fā)明時，控制單元80的位置并不特別限制。盡管在圖4中控制單元80裝于軀體部分單元40中，但是它也可以裝于頭部單元30中。也可選擇，控制單元可以位于有腿移動式機器人100的外面，并通過有線或無線通訊裝置而與有腿移動式機器人100的身體連通。
圖3中所示的有腿移動式機器人100的各關節(jié)自由度通過各個相應促動器實現(xiàn)。特別是，頭部單元30中布置有頸關節(jié)左、右搖擺軸促動器A1、第一和第二頸關節(jié)俯仰軸促動器A2A和A2B以及頸關節(jié)滾轉軸促動器A3，它們分別代表頸關節(jié)左、右搖擺軸1、第一和第二頸關節(jié)俯仰軸2A和2B以及頸關節(jié)滾轉軸3。
軀體部分單元40中布置有軀體俯仰軸促動器A9和軀體滾轉軸促動器A10，它們分別代表軀體俯仰軸9和軀體滾轉軸10。
臂部單元50R/L分別細分成上臂單元51R/L、肘關節(jié)單元52R/L和前臂單元53R/L。各臂部單元50R/L中布置有肩關節(jié)俯仰軸促動器A4、肩關節(jié)滾轉軸促動器A5、上臂左、右搖擺軸促動器A6、肘關節(jié)俯仰軸促動器A7和腕關節(jié)左、右搖擺軸促動器A8，它們分別代表肩關節(jié)俯仰軸4、肩關節(jié)滾轉軸5、上臂左、右搖擺軸6、肘關節(jié)俯仰軸7和腕關節(jié)左、右搖擺軸促動器8。
腿部單元60R/L分別細分成大腿區(qū)域單元61R/L、膝蓋單元62R/L和踝部單元63R/L。各腿部單元60R/L中布置有髖關節(jié)左、右搖擺軸促動器A11、髖關節(jié)俯仰軸促動器A12、髖關節(jié)滾轉軸促動器A13、膝關節(jié)俯仰軸促動器A14、踝關節(jié)俯仰軸促動器A15和踝關節(jié)滾轉軸促動器A16，它們分別代表髖關節(jié)左、右搖擺軸11、髖關節(jié)俯仰軸12、髖關節(jié)滾轉軸13、膝關節(jié)俯仰軸14、踝關節(jié)俯仰軸15和踝關節(jié)滾轉軸16。
用于各關節(jié)的促動器A1、A2、A3...可以由小尺寸AC伺服促動器(如上述)形成，該AC伺服促動器優(yōu)選是之間齒輪嚙合類型，且在該伺服促動器中，伺服控制系統(tǒng)形成為單個芯片，并安裝在馬達單元中。
用于促動器驅動控制的子控制部分35、45、55和65分別用于各機械單元，例如頭部單元30、軀體部分單元40、臂部單元50和腿部單元60。
加速度促動器95和姿勢傳感器96布置在身體的軀體部分單元40上。該加速度傳感器95沿X、Y和Z軸方向布置。其中，加速度傳感器95布置在身體的腰部，可以將腰部(該腰部有很大的質量操作量)作為控制目標點，并直接測量該腰部位置處的姿勢或加速度，以根據(jù)ZMP進行姿勢穩(wěn)定控制。
同時，著地確認傳感器91和92以及加速度傳感器93和94分別布置在右、左腿部單元60R和60L上。著地確認傳感器91和92例如由安裝在腳底上的壓力傳感器形成，并能夠根據(jù)是否有地板反作用力而分別檢測該腳底是否與地面接觸。同時，加速度傳感器93和94至少沿X和Y軸方向布置。通過將加速度傳感器93和94布置在左、右腳部上，可以通過最接近ZMP位置的那一個腳部直接建立ZMP等式。
當只在具有較大質量操作量的腰部處布置加速度傳感器時，只有腰部設置為控制目標點，且各腿部的狀態(tài)必須根據(jù)控制目標點的計算結果來相對計算。這樣，前提條件是在腳部和地面之間滿足以下條件(1)不管怎樣的力或力矩作用在地面上，該地面都不運動。
(2)路面防止平動的摩擦系數(shù)足夠高，且不允許滑動。
相反，在本實施例中，用于直接檢測ZMP和力的反作用力傳感器系統(tǒng)(地板反作用力傳感器等)布置在作為與地面接觸部分的腳部上，且用于直接測量坐標的局部坐標系和加速度傳感器布置在腳部上。因此，可以在最靠近ZMP位置的腿部直接建立ZMP等式，并可以高速形成不依賴于上述前提條件的、更嚴格的姿勢穩(wěn)定控制。因此，也能夠保證身體在沙地或厚地毯上或者在房屋的鋪瓷磚地點上穩(wěn)定行走(運動)，在該沙地或厚地毯上，當力或力矩作用在路面上時該路面將運動，而在鋪瓷磚地點上可能產生滑動，因為不能保證防止平動的摩擦系數(shù)足夠大。
控制單元80可以根據(jù)傳感器91至96的輸出動態(tài)校正控制目標。特別是，控制單元80合適控制各子控制部分35、45、55和65，以實現(xiàn)總體運動模式，其中，有腿移動式機器人100的上肢、軀體和下肢配合驅動。
對于機器人100的身體的總體運動，設置腳部運動、ZMP(零力矩點)軌跡、軀體運動、上肢運動和腰部高度，并將根據(jù)設置內容指示動作的指令傳送給子控制部分35、45、55和65。各子控制部分35、45、...解釋從主控制部分81接收的指令，并向促動器A1、A2、A3...輸出驅動控制信號。這里，“ZMP”定義為在地板上的、在行走過程中地板反作用力的力矩為零的點，且“ZMP軌跡”的意思是ZMP運動的軌跡，例如在機器人的行走動作期間。
C.有腿移動式機器人的運動系統(tǒng)基本狀態(tài)轉變本發(fā)明的有腿移動式機器人100的控制系統(tǒng)定義了多個基本姿勢。各基本姿勢的確定考慮了身體的穩(wěn)定性、能量消耗以及向下一個狀態(tài)的過渡，身體運動能夠通過基本姿勢之間的轉變而高效控制。
圖5表示了本發(fā)明的有腿移動式機器人100的運動系統(tǒng)的基本狀態(tài)轉變。參考圖5，對于有腿移動式機器人，考慮到身體的穩(wěn)定性、能量消耗以及當機器人面向上躺著、站立、準備行走、就坐和面向下躺著時向下一個狀態(tài)的過渡，定義了基本仰臥姿勢、基本站立姿勢、基本行走姿勢、基本就坐姿勢和基本俯臥姿勢。
這些基本姿勢布置在身體的動作控制程序平臺上。而且，當有腿移動式機器人處于站立姿勢等時，它利用總體運動來執(zhí)行各種動作，例如行走、跳躍或舞蹈，且用于它們的裝置控制程序布置成用于在該平臺上操作。應用程序從外部存儲器合適裝載，并由主控制部分81執(zhí)行。
圖6表示了有腿移動式機器人100的基本仰臥姿勢。在本實施例中，當可以向身體供電時，有腿移動式機器人100采取基本仰臥姿勢，并可以從它在動力學上最穩(wěn)定的、不可能發(fā)生跌倒(跌落)等的狀態(tài)開始驅動。而且，不僅在驅動時，而且在系統(tǒng)操作終止時，有腿移動式機器人也返回到該基本仰臥姿勢。這樣，因為有腿移動式機器人100從在動力學上身體最穩(wěn)定的狀態(tài)開始操作，并使它的操作終止于最穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，該有腿移動式機器人的動作操作可以自己完成。
自然，當身體跌倒時，如果通過在地板上進行的預定動作恢復到基本仰臥姿勢之后執(zhí)行規(guī)定的站立動作，那么通過基本站立姿勢可以恢復在中斷操作時的初始姿勢。
而且，本發(fā)明的有腿移動式機器人100包括如圖7所示的基本俯臥姿勢，它作為在地板上的一種基本姿勢。基本俯臥姿勢是當在動力學上身體最穩(wěn)定時的狀態(tài)，與基本仰臥姿勢類似，并能夠在供電中斷時的無力狀態(tài)下穩(wěn)定地保持該姿勢。例如，當在腿的操作過程中由于無意中受到的外力而使身體跌倒時，因為不知道它跌倒成仰臥姿勢還是俯臥姿勢，因此，在本實施例中，這樣定義了在地板上的兩種不同的基本姿勢。
有腿移動式機器人100可以通過各種地板姿勢而在基本仰臥姿勢和基本俯臥姿勢之間可逆地改變它的姿勢。反過來說，有腿移動式機器人100可以根據(jù)基本仰臥姿勢和基本俯臥姿勢而平穩(wěn)地將其姿勢改變成各種地板姿勢。
基本仰臥姿勢是在動力學上最穩(wěn)定的基本姿勢。不過，當考慮到腿的操作時，不能從基本仰臥姿勢開始進行平穩(wěn)的狀態(tài)轉變。因此，定義了如圖8所示的基本站立姿勢。當定義了基本站立姿勢時，該有腿移動式機器人100可以平穩(wěn)進行后面的腿操作。
在各種站立姿勢中，基本站立姿勢是最穩(wěn)定的狀態(tài)，在該姿勢中，用于姿勢穩(wěn)定控制的計算機負載以及功率消耗將最低或最小。在該基本站立姿勢中，膝蓋伸直，以使保持豎直站立狀態(tài)的馬達力矩減至最小。有腿移動式機器人100可以使它的姿勢平穩(wěn)地從基本站立姿勢轉變成各種站立姿勢，例如以進行利用上肢的舞蹈動作。
另一方面，盡管基本站立姿勢具有很好的姿勢穩(wěn)定性，但是，它并不是能夠立即進入腿的操作例如行走操作的最佳狀態(tài)。因此，本實施例的有腿移動式機器人定義了通過腿處于站立狀態(tài)時的另一基本姿勢，該基本行走姿勢如圖9所示。
當有腿移動式機器人處于它的基本站立姿勢時，驅動用于髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的俯仰軸12、14和15，從而使有腿移動式機器人可以為這樣的姿勢，其中，身體的重心位置稍微降低，從而進入基本行走姿勢。該基本行走姿勢能夠平穩(wěn)轉變成各種腿的動作，從而開始普通的行走動作。不過，因為膝蓋彎曲，也需要很多用于保持該姿勢的附加力矩，因此，與基本站立姿勢相比，基本行走姿勢需要更大的功率消耗。
在基本站立姿勢中，身體的ZMP位置在ZMP穩(wěn)定區(qū)域的中心附近，膝蓋的彎曲角很小，能量消耗較低。相反，在基本行走姿勢中，盡管ZMP位置處于穩(wěn)定區(qū)域附近，但是膝蓋的彎曲角相對較大，從而保證對路面和外力有很高的適應性。
而且，在本實施例的有腿移動式機器人100中，定義了基本就坐姿勢。該基本就坐姿勢(未示出)定義為這樣的姿勢，其中，當有腿移動式機器人100坐在預定的椅子上時，用于姿勢穩(wěn)定控制的計算機負載以及功率消耗最低或最小。有腿移動式機器人100可以從上述基本仰臥姿勢、基本俯臥姿勢和基本站立姿勢可逆地改變成基本姿勢。而且，有腿移動式機器人100可以平穩(wěn)地將它的姿勢從基本就坐姿勢或基本站立姿勢改變成各種就坐姿勢，其中，例如它可以只利用身體的手部來執(zhí)行各種動作。
D.有腿移動式機器人的姿勢穩(wěn)定控制下面介紹本實施例的有腿移動式機器人100在腿操作中的姿勢穩(wěn)定控制的步驟，也就是，有腿移動式機器人100在執(zhí)行總體配合運動(包括腳部、腕、軀體和下肢的運動)時的姿勢穩(wěn)定控制的步驟。
根據(jù)本實施例的姿勢穩(wěn)定控制利用ZMP進行姿勢穩(wěn)定控制。將ZMP用作穩(wěn)定性判斷準則的機器人的姿勢穩(wěn)定控制在于使得力矩為零時的點在由腳底和路面的著地點形成的支承多邊形的邊上或內部。特別是，導出說明施加在機器人身體上的各個力矩的平衡關系的等式，并校正該身體的目標軌跡，從而消除在ZMP等式上出現(xiàn)的力矩誤差。
在本實施例中，作為在機器人身體上的控制目標點，質量操作量最大的位置(部分)例如腰部設置為局部坐標系原點。然后，測量元件例如加速度傳感器布置在該控制目標點處，以直接測量在該位置的姿勢或加速度，從而根據(jù)ZMP進行姿勢穩(wěn)定控制。而且，加速度傳感器布置在作為與路面接觸的接觸部分的各腿部上，以直接測量用于控制的局部坐標系以及該局部坐標系的坐標，且在最靠近ZMP位置的腳部直接產生ZMP等式。
D-1導出ZMP等式本實施例的有腿移動式機器人100是無限質點集合體，也就是連續(xù)質點集合體。不過，這里將有腿移動式機器人100代替成由有限數(shù)目的離散質點形成的近似模型，以減小穩(wěn)定處理的計算量。特別是，有如圖3所示的多個關節(jié)自由度結構的有腿移動式機器人100在物理上代替成如圖10所示的多質點近似模型，并進行處理。所示近似模型是線性且非相互作用多質點近似模型。
參考圖10，O-XYZ坐標系表示絕對坐標系的滾轉軸、俯仰軸和左、右搖擺軸，而O′-X′Y′Z′坐標系表示與該機器人100一起運動的運動坐標系的滾轉軸、俯仰軸和左、右搖擺軸。不過，圖10中的參數(shù)有下面的意思。而且，應當知道，具有標記′的各參考符號表示運動坐標系。
mh腰部質點的質量r→′h(r′hx,r′hy,r′hz):]]>在腰部質點處的位置矢量mi在第i質點處的質量 在第i質點處的位置矢量 ZMP的位置矢量g→(gx,gy,gz):]]>重力加速度矢量O′-X′Y′Z′運動坐標系(與機器人一起運動)O-XYZ絕對坐標系在圖10所示的多質點模型中，i是下標，表示第i個的質點；mi表示第i個質點的質量，而r′i表示第i個質點的位置矢量(在運動坐標系上)。本實施例的有腿移動式機器人100的身體的重心在腰部附近。換句話說，腰部是質量操作量最大的質點，且在圖10中，質量由mh表示，它的位置矢量(在運動坐標系上)由r′h(r′hx，r′hy，r′hz)表示。而且，身體的ZMP的位置矢量(在運動坐標系上)由r′zmp(r′zmpx，r′zmpy，r′zmpz)表示。
世界坐標系O-XYZ是絕對坐標系，并為不變的。在本實施例的有腿移動式機器人100中，加速度傳感器93、94和96布置在腰部和腿的腳部，且腰部和腿部以及完全坐標系的相對位置矢量rq直接由傳感器的輸出來檢測。另一方面，運動坐標系，也就是身體的局部坐標系O-X′Y′Z′與該機器人一起運動。
多質點模型是以線架模型形式表示機器人。如圖10所示，在多質點模型中，兩個肩、兩個肘、兩個腕、軀體、腰部和兩個踝分別設置成質點。在圖10所示的非精確多質點近似模型中，力矩表達式為線性等式形式，該力矩表達式并不與俯仰軸和滾轉軸相互作用。多質點近似模型大致可以根據(jù)以下處理步驟產生。
(1)確定整個有腿移動式機器人100的質量分布。
(2)設置質點。質量的設置方法可以是由設計人員人工輸入和根據(jù)預定規(guī)則自動生成。
(3)確定各區(qū)域i的重心，且對于相關質量提供重心的位置和質量mi。
(4)各質點mi表示為中心在質點位置ri且半徑與質量成正比增加的球。
(5)將實際上有連接關系的質點或球彼此連接。
應當知道，在圖10所示的多質點模型的腰部信息中的旋轉角度(θhx，θhy，θhz)確定了有腿移動式機器人100的腰部的姿勢，也就是滾轉軸、俯仰軸和左、右搖擺軸的旋轉(應當知道，圖11表示了多質點模型在腰部周圍的放大圖)。
身體的ZMP等式說明了在施加給控制目標點的力矩之間的平衡關系。當身體由大量質點mi表示，且它們設置為控制目標點時，確定施加給所有的控制目標點mi的力矩的總和的表達式為ZMP等式。
下面給出在完全坐標系(O-XYZ)中介紹的身體的ZMP等式以及在局部坐標系(O-X′Y′Z′)中介紹的身體的ZMP等式。
在完全坐標系中的ZMP等式 r＝r′+rq在局部坐標系中的ZMP等式 r··=r··′+r··q]]>上述表達式說明，由施加給質點mi的加速度分量產生的環(huán)繞ZMP(半徑ri-rzmp)的力矩的總和、外力力矩Mi的總和以及由外力Fk產生的環(huán)繞ZMP的力矩(第k個外力Fk的作用點表示為sk)的總和彼此平衡。
ZMP平衡等式包括總力矩補償量，也就是力矩誤差分量T。通過將該力矩誤差抑制為零或在預定允許范圍內，可以保持身體的姿勢穩(wěn)定性。換句話說，姿勢穩(wěn)定控制的本質是使用ZMP作為穩(wěn)定性判斷準則，以校正身體運動(腳部的運動和/或身體的上部的各部分的軌跡)，從而使力矩誤差抑制為零或在允許范圍內。
在本實施例中，加速度傳感器96、93和94分別布置在腰部和左、右腳部。因此，在控制目標點處的加速度測量值結果可以直接導出上述非常精確的ZMP平衡等式。因此，可以實現(xiàn)高速和更精確的姿勢穩(wěn)定控制。
D-2.整體配合型的姿勢穩(wěn)定控制圖12以流程圖的形式表示了有腿移動式機器人100利用ZMP作為穩(wěn)定性判斷準則來產生身體運動并由此實現(xiàn)穩(wěn)定行走的處理步驟。不過，應當知道，在下面的說明中，圖10和11中所示的線性且非相互作用多質點近似模型用于說明各關節(jié)的位置或有腿移動式機器人100的動作。
首先進行腳部運動的設置(步驟S1)。腳部運動是動作數(shù)據(jù)，其中，兩個或多個身體姿勢按時間序列連接。
動作數(shù)據(jù)例如包括表示腳部的各關節(jié)角度變化的關節(jié)空間信息以及表示關節(jié)位置的迪卡爾空間信息。動作數(shù)據(jù)可以在控制臺屏幕上人工輸入，或者可以直接導入身體(直接教導)，例如在用于動作編輯的程序系統(tǒng)上構成。
然后，根據(jù)這樣設置的腳部運動，計算ZMP穩(wěn)定區(qū)域(步驟S2)。ZMP是施加給身體的力矩為零的點，并基本在由腳底和地面的著地點形成的支承多邊形的邊上或內部。ZMP穩(wěn)定區(qū)域是設置在支承多邊形內部的區(qū)域，通過使ZMP處于上述區(qū)域，可以使身體處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)。
然后，根據(jù)腳部運動和ZMP穩(wěn)定區(qū)域設置在腳部動作過程中的ZMP軌跡(步驟S3)。
另一方面，對于身體的上部部分(相對于髖關節(jié)的上側)，進行分組設置，例如腰部、軀體部分、上肢和頭部(步驟S11)。
然后，對于各部分組設置合適的軌跡(步驟S12)。設置身體上部的這些合適軌跡可以在控制臺屏幕上人工輸入，或者可以直接導入身體(直接教導)，例如在用于動作編輯的程序系統(tǒng)上構成，與腳部情況類似。
然后，進行不同部分的分組設置的調節(jié)(重新分組)(步驟S13)，并向這些組加上優(yōu)先序號(步驟S14)。這里，優(yōu)先序號是這樣的序號，根據(jù)該序號，這些組進行用于執(zhí)行身體的姿勢穩(wěn)定控制的算術處理操作，并且進行分配，例如根據(jù)它們的質量操作量。因此，產生了身體上部的各部分的、具有優(yōu)先序號的合適軌跡組。
而且，對于身體上部的各個部分組，計算可以用于力矩補償?shù)馁|量(步驟S15)。
然后，根據(jù)在步驟S14中設置的優(yōu)先順序將部分組的運動模式代入姿勢穩(wěn)定控制，該姿勢穩(wěn)定控制基于腳部運動和ZMP軌跡以及身體上部的各部分組的合適軌跡組。
在姿勢穩(wěn)定處理中，起始值1代入處理變量i(步驟S20)。然后計算在設置優(yōu)先序號范圍為從1至i的部分組的目標軌跡時在目標ZMP上的力矩量，也就是總力矩補償量(步驟S21)。對于沒有計算目標軌跡的任何部分，采用用于該部分的合適軌跡。
然后，在步驟S15中計算的、能夠用于進行所屬部分的力矩補償?shù)馁|量用于設置該部分的力矩補償量(步驟S22)，并計算該力矩補償量(步驟S23)。
然后，第i部分的計算力矩補償量用于導出該第i部分的ZMP等式(步驟S24)，并計算該部分的力矩補償運動(步驟S25)。通過所述的一系列處理，可以獲得用于優(yōu)先序號從1至i的部分的目標軌跡。
通過對所有的部分組進行上述處理，將生成能夠穩(wěn)定運動(例如行走)的總體運動模式。
因為加速度傳感器96、93和94分別布置在腰部和左、右腳部，因此，通過利用控制目標點的加速度測量結果，能夠直接和非常精確地導出ZMP平衡等式。因此，根據(jù)如圖12所示的處理步驟，可以高速準確地執(zhí)行基于ZMP穩(wěn)定性判斷準則的姿勢穩(wěn)定控制。
E.有腿移動式機器人的跌倒操作如前述條目D所述，本發(fā)明的有腿移動式機器人100基本根據(jù)ZMP穩(wěn)定性判斷準則而在行走時以及在站立姿勢下利用腿進行操作時執(zhí)行姿勢穩(wěn)定控制，減小身體跌倒情況的發(fā)生。
不過，當不能避免跌倒時，執(zhí)行跌倒動作(跌落動作)，該跌倒動作由能夠盡可能防止身體受到損害的動作模式形成。例如，當過大外力F或外部力矩M施加到身體上時，在上述ZMP平衡等式中的力矩誤差分量T不能通過身體運動來消除，且不能保持姿勢的穩(wěn)定。
圖13以流程圖形式表示了在本發(fā)明的有腿移動式機器人100的腿操作過程中身體的動作控制的總體處理步驟。
在身體的動作過程中，布置在左、右腳部上的著地確認(地板反作用力)傳感器91和92和加速度傳感器93和94以及布置在腰部的加速度傳感器96的傳感器輸出用于建立(上述)ZMP平衡等式，以正常計算腰部和下肢軌跡(步驟S31)。
例如，當外力施加給身體時，它判斷是否可以設計下一個腰部和下肢軌跡，也就是，是否可以通過腳部的行動設計來消除由該外力引起的力矩誤差(步驟S32)。判斷是否可以設計腰部和下肢軌跡將考慮腿部關節(jié)的活動角度、關節(jié)促動器的扭矩值；關節(jié)力、角速度、角加速度等。自然，當施加外力時，力矩誤差并不是在下一個步驟中通過腿的動作來消除，而是通過幾個步驟的動作來消除。
這時，當可以設計腳部動作時，連續(xù)進行行走或某些其它腿的運動。
另一方面，當因為施加給身體的外力或外力矩過大而不能設計腳部運動時，有腿移動式機器人100開始跌倒動作(步驟S34)。
在如圖1和2所述的直立行走類型的有腿機器人中，因為重心的位置較高，因此，當該機器人無意中通過跌倒而跌落到地板上時，可能對機器人自身造成嚴重損害，或者對該機器人由于跌倒而碰撞的物品造成嚴重損害。
因此，在本實施例中，在跌倒之前，機器人的姿勢從預先設計的身體軌跡轉變成使ZMP支承多邊形最小的姿勢，以執(zhí)行預定的跌倒動作?；旧?，基于以下兩個方法來尋找合適的跌倒操作(1)使身體的支承多邊形的面積S隨時間t的變化量ΔS/Δt最小。
(2)當身體跌倒在地板上時使支承多邊形最大。
其中，使變化量ΔS/Δt減至最小相當于在跌倒時保持(或減小)支承面積(不過，為了減小支承面積，有時需要驅動力)。通過在身體跌倒時保持支承面積，可以避開施加在身體上的沖擊力矩。圖14表示了在身體跌倒時保持支承面積的原理。如圖14所示，當支承面保持最小時，身體可以避開沖擊力矩，與球滾動時的方式相同。如圖14所示，即使當支承面運動時，也可以獲得類似的效果。例如，當對身體落在地板上(與地板接觸)時由地板作用在身體上的沖擊力進行確定，且該確定的沖擊力超過允許范圍時，優(yōu)選是采用這樣的跌倒方法，其中，身體以使支承多邊形的面積保持固定的方式滾轉。
同時，當身體跌倒在地板上時使支承多邊形保持最大相當于通過利用較大支承多邊形接受沖擊力來緩沖該沖擊力，如圖15所示。例如，當對身體落在地板上時由地板作用在身體上的沖擊力進行確定，且該確定的沖擊力在允許范圍內時，優(yōu)選是采用這樣的跌倒方法，其中，身體以使支承多邊形的面積保持固定的方式滾轉。
圖16和17表示了當有腿移動式機器人100向后朝著仰臥姿勢跌倒時用于使支承多邊形變化量ΔS/Δt減至最小的動作，也就是用于在跌倒時保持支承面積的動作的實例。該動作與柔道或其它搏擊運動中的ukemi類似，并能夠合適地避開在跌倒時的沖擊力矩。通過使腳部離開地板而使支承多邊形的變化量ΔS/Δt最小，如圖17所示。當身體的重心處于腰部時，ZMP可以設置為在與最小支承多邊形無關的連桿數(shù)目最大時的位置。在上述跌倒和著地動作之后，所有這些可以離開地板的連桿都離開地板。特別是，在所示實施例中，下肢和其它可以升高，以使身體的上半部分和下肢同時離開地板，而腳部、手部等在地板上。因此，通過相對較少數(shù)目的步驟就可以形成相對較小的著地多邊形(接觸多邊形)。因此，可以高速實現(xiàn)高效的站立操作。
圖18和19分別表示了從側面看和從右前方看的、當有腿移動式機器人100向前朝著俯臥姿勢跌倒時使支承多邊形變化量ΔS/Δt減至最小，也就是在跌倒時保持支承面積的實例。該動作與體操等的前滾翻動作類似，并能夠合適地避開在跌倒時的沖擊力矩。通過使腳部離開地板而使支承多邊形的變化量ΔS/Δt最小，如圖18和19所示。通過采用上述跌倒方法，當身體跌落到地板上時由地板作用在身體上的沖擊力可以分散到整個身體，從而使損害減至最小。
圖20以流程圖的形式表示了當本實施例的有腿移動式機器人100因為不能設計腳部運動而執(zhí)行跌倒操作時的處理步驟。根據(jù)上述基本方法，跌倒操作通過同步配合驅動沿高度方向連接的肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14來實現(xiàn)。該處理步驟實際上通過由主控制部分81執(zhí)行預定身體動作控制程序來控制部件的驅動而實現(xiàn)。
首先，尋找使身體的支承多邊形的面積S隨時間的變化量ΔS/Δt最小的連桿(步驟S41)。
然后，尋找在步驟S41中選定的、使ΔS/Δt最小的連桿的目標著地點(目標接觸點)。當身體相當于地板的支承面積保持最小時，可以避開沖擊力矩(參考前述和圖14)。
然后，主要根據(jù)沖擊力矩判斷是否能夠在身體的硬件限制(例如關節(jié)的活動角度、關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等)下使在前面步驟中選定的連桿在目標著地點處著地(步驟S43)。
當判斷不能使在前面步驟中選定的連桿在目標著地點處著地時，時間的變化量Δt增加預定值(步驟S44)，然后處理返回步驟S41，以重新選擇連桿和重新設置該連桿的目標著地點。
另一方面，當可以在前面步驟中選定的連桿可以在目標著地點處著地時，使選定連桿在目標著地點著地(步驟S45)。
然后，判斷身體的勢能是否減至最小，也就是，跌倒動作是否完成(步驟S46)。
當身體的勢能還沒有減至最小時，時間的變化量Δt再增加預定值(步驟S47)，且下一個目標著地點設置成使支承多邊形可以擴大(步驟S48)。當支承多邊形擴大時，可以減小通過落在地板上而作用在身體上的沖擊力(參考前述和圖15)。
然后，主要根據(jù)沖擊力判斷是否能夠在身體的硬件限制(例如關節(jié)的活動角度、關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等)下使在前面步驟中選定的連桿在目標著地點處著地(步驟S49)。
當判斷不能使在前面步驟中選定的連桿在目標著地點處著地時，處理返回步驟S41，以重新選擇連桿和重新設置該連桿的目標著地點。
另一方面，當可以在前面步驟中選定的連桿可以在目標著地點處著地時，處理前進到步驟S45，在該步驟中，使選定連桿在目標著地點著地(步驟S45)。
然后，當身體的勢能最小時(步驟S46)，因為身體的在地板上的著地已經完成，因此結束整個處理程序。
下面參考實際機器的動作來介紹有腿移動式機器人100的跌倒操作。
圖21表示了有腿移動式機器人100通過關節(jié)俯仰軸的同步配合驅動而朝著仰臥姿勢跌倒時的動作，該有腿移動式機器人100模擬成連桿結構，包括多個沿高度方向彼此連接的基本平行關節(jié)軸，例如肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14?；旧峡梢哉f，通過將目標設置在具有能夠使非著地(不與地板接觸)的連桿的數(shù)目最大的連桿時的位置，可以減小由地板作用在身體上的沖擊力。
假定機器人只通過腳底站立，該腳底是連桿結構的連桿端頭(圖21的(1))。
這時，假定因為施加外力或外力矩，ZMP配合等式的力矩誤差項T不再能消除，且ZMP離開只是由腳底形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域。然后，因此開始跌倒動作，從而使ZMP保持在支承多邊形內。
在跌倒動作中，尋找使身體的支承多邊形的面積S隨時間的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找手的目標著地點，該手使包括手的連桿的ΔS/Δt最小。然后，判斷是否能夠在身體的硬件限制(例如關節(jié)的活動角度、關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等)下，使選定的連桿在目標著地點處著地。
當能夠通過身體的硬件進行著地時，除了已經著地的腳底連桿外還使另一連桿著地。然后，ZMP運動到由著地連桿(與地板接觸)形成的最小支承多邊形中(圖21的(2))。
然后，著地點運動，以將支承多邊形擴大到身體的硬件允許的程度(圖21的(3))。
然后，當由于身體的硬件限制例如關節(jié)的活動角度、關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等而不能再使著地點運動時，判斷是否能夠使置于著地連桿之間的非著地連桿著地。
當從身體硬件的觀點看能夠使在著地連桿之間的非著地連桿著地時，使中間連桿著地，以增加著地連桿數(shù)目(圖21的(4))。
而且，著地點運動，以擴大支承多邊形，直到身體的硬件允許的程度(圖21的(5))。
最后，在由沿高度方向連接的多個基本平行的關節(jié)軸形成的連桿結構的一端側的一個或多個連桿，以及在該連桿結構的另一端側的兩個或更多連桿離開地板，同時位于它們中間的一個或多個連桿著地，且腳部著地，然后，在該狀態(tài)下，形成使支承多邊形變?yōu)樽畲蟮淖藙荩瑫r使ZMP保持在支承多邊形內。當身體的勢能在該姿勢下最小時，跌倒動作完成。
圖22至38以及圖39至55表示了實際機器從站立姿勢跌倒成仰臥姿勢的方式。
在這個例子中，包括髖關節(jié)俯仰軸的身體連桿被選擇作為使身體的支承多邊形的面積S隨時間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找目標著地點和使身體向后跌落(參考圖22至31和39至48)。身體采取這樣的姿勢，其中，膝關節(jié)折疊，使著地時支承多邊形的變化量最小，也就是使ΔS/Δt最小。
然后，包括軀體俯仰軸9和肩關節(jié)俯仰軸4的身體連桿被選擇作為使身體的支承多邊形的面積S隨時間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找選定連桿的目標著地點和使身體更深地向后跌落。這時，因為髖關節(jié)俯仰軸12已經著地，包括身體俯仰軸9和肩關節(jié)俯仰軸4的身體連桿繞髖關節(jié)俯仰軸12樞軸轉動，并落在地板上(參考圖32至33和49至50)。
然后，由頸關節(jié)俯仰軸2連接的頭部連桿被選擇作為使身體的支承多邊形的面積S隨時間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找選定連桿的目標著地點和使身體更深地向后跌落。這時，因為頸關節(jié)俯仰軸2已經著地，頭部繞頸關節(jié)俯仰軸2樞軸轉動，并落在地板上(參考圖34至38和51至55)。因為身體在勢能該姿勢時最小，因此跌倒動作完成。
圖56表示了表示了有腿移動式機器人100通過關節(jié)俯仰軸的同步配合驅動而朝著俯臥姿勢跌倒時的動作，該有腿移動式機器人100模擬成連桿結構，包括多個沿高度方向彼此連接的基本平行關節(jié)軸，例如肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14。實際上，通過將目標設置在具有能夠使非著地(不與地板接觸)的連桿的數(shù)目最大的連桿時的位置，可以減小由地板作用在身體上的沖擊力。
假定機器人只通過腳底站立，該腳底是連桿結構的連桿端頭(圖56的(1))。
這時，假定因為施加外力或外力矩，ZMP配合等式的力矩誤差項T不再能消除，且ZMP離開只是由腳底形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域。然后，因此開始跌倒動作，從而使ZMP保持在支承多邊形內。
在跌倒動作中，尋找使身體的支承多邊形的面積S隨時間的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找手的目標著地點，該手使包括手的連桿的ΔS/Δt最小。然后，判斷是否能夠在身體的硬件限制(例如關節(jié)的活動角度、關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等)下使選定的連桿在目標著地點處著地當能夠通過身體的硬件進行著地時，除了已經著地的腳底連桿外還使另一連桿著地。然后，ZMP運動到由著地連桿形成的最小支承多邊形中(圖56的(2))。
然后，著地點運動，將支承多邊形擴大到身體的硬件允許的程度(圖56的(3))。
然后，當由于身體的硬件限制例如關節(jié)的活動角度、關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等而不能再使著地點運動時，判斷是否能夠使夾在著地連桿之間的非著地連桿著地。
當從身體硬件的觀點看能夠使在著地連桿之間的非著地連桿著地時，使中間連桿著地，以增加著地連桿數(shù)目(圖56的(4))。
而且，著地點運動，將支承多邊形擴大到身體的硬件允許的程度(圖56的(5))。
最后，在由沿高度方向連接的多個基本平行的關節(jié)軸形成的連桿結構的一端側的一個或多個連桿，以及在該連桿結構的另一端側的兩個或更多連桿離開地板，同時位于它們中間的一個或多個連桿著地，且腳部著地。然后，在該狀態(tài)下，形成使支承多邊形變得最大的姿勢，同時使ZMP保持在支承多邊形內。當身體的勢能在該姿勢下最小時，跌倒動作完成。
圖57至73以及圖74至90表示了實際機器從站立姿勢跌倒成俯臥姿勢的方式。
在這個例子中，包括肩關節(jié)俯仰軸4的臂連桿的手被選擇作為使身體的支承多邊形的面積S隨時間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找目標著地點和使身體向前跌落(參考圖57至70和74至87)。
這時，身體采取這樣的姿勢，其中，膝關節(jié)折疊，使著地時支承多邊形的變化量ΔS減至最小，這樣，手能夠著地的位置設置在靠近腳底的位置。
然后，包括膝關節(jié)俯仰軸14的腿部連桿被選擇作為使身體的支承多邊形的面積S隨時間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找選定連桿的目標著地點和使身體更深地向前跌落。這時，因為腳部已經著地，腿部繞踝關節(jié)俯仰軸樞軸轉動，且膝蓋落在地板上(參考圖70至71和88至89)。
而且，作為著地點(接觸點)的手和膝蓋運動，以離開腳底，從而使支承多邊形擴大到身體的硬件允許的程度(參考圖72和89)。因此，軀體部分連桿也在手和膝蓋之后落在地板上(參考圖73和90)。因為身體勢能在該姿勢時最小，因此跌倒動作完成。
F.從地板姿勢站起來的操作為了從地板姿勢例如仰臥姿勢或俯臥姿勢進行驅動，或者為了使有腿移動式機器人跌倒時能夠自己站起來并重新工作，需要使有腿移動式機器人100能夠實現(xiàn)站起來的操作。
不過，當有腿移動式機器人100試圖沿未設計的軌跡站起來時，將施加過高的外力矩，且關節(jié)促動器需要較高的輸出力矩。因此，需要更大尺寸的馬達，驅動功率消耗也增加。而且，身體的重量增加，制造成本增加。重量的增加使得站起來的動作更困難?；蛘撸€可能因為在站起來的動作處理中產生的外力矩而出現(xiàn)不能穩(wěn)定地保持姿勢的情況，或者不能自己站起來。
因此，在本實施例中，有腿移動式機器人100執(zhí)行站起來的動作，該站起來的動作由使得外力矩最小的動作模式形成。這可以通過按時間序列組合使ZMP支承多邊形最小的各姿勢來實現(xiàn)。
而且，本發(fā)明的有腿移動式機器人100為連桿結構，其中，多個俯仰軸沿高度方向彼此串聯(lián)連接(當從側向看時)，例如肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14(參考圖3)。因此，多個關節(jié)俯仰軸4至14以預定順序同步配合驅動，以根據(jù)使ZMP支承多邊形最小的動作模式來實現(xiàn)站起來的動作。
F-1.從基本仰臥姿勢站起來的操作圖91以流程圖的形式表示了當本實施例的有腿移動式機器人100通過同步配合驅動肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14來執(zhí)行站起來的動作時的處理步驟。上述處理步驟通過由主控制部分81執(zhí)行預定身體動作控制程序來控制部件的驅動而實現(xiàn)。
同時，圖92以關節(jié)連桿模型形式表示了本實施例的有腿移動式機器人100通過同步配合驅動肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14來執(zhí)行從仰臥姿勢站起來的動作時的方式。應當知道，盡管本實施例的有腿移動式機器人100包括軀體俯仰軸9，但是在圖93中也表示了不包括軀體俯仰軸的有腿移動式機器人執(zhí)行從仰臥姿勢站起來的動作的方式。不過，應當知道，整個身體的重心的位置設置在圖93所示的連桿結構中使軀體關節(jié)和髖關節(jié)相互連接的連桿上，在下文中該連桿稱為“重心連桿”。應當知道，盡管“重心連桿”在狹義上為上述定義，但是在廣義時，它可以為整個身體的重心位置在它上面的任意連桿。例如，當身體不包括軀體軸時，包括軀體的端部等的連桿對應于前述連桿，整個身體的重心在該軀體的端部等處。
下面將參考圖91所示的流程圖介紹身體從基本仰臥姿勢站起來的操作。
首先，當身體處于地板姿勢時，尋找使勢能最小的姿勢(步驟S51)。該姿勢對應于基本仰臥姿勢，在該姿勢中，使得用于站起來的動作的肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14相互連接的連桿是全部著地連桿(與地板接觸)，如圖92中的(1)和圖93中的(1)所示。這時，實際機器的狀態(tài)如圖94和112所示。因為采取使勢能最低的姿勢，因此可以測量路面的斜度或形狀，并確認是否能夠執(zhí)行站起來的動作。
當身體處于基本仰臥姿勢時，從由著地連桿形成的著地多邊形中尋找最狹窄的支承多邊形(步驟S52)。這時，判斷是否可以設計當身體的一端側的至少兩個或更多連桿離開地板時的ZMP軌跡。判斷ZMP的可設計性可以考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。
然后，與著地多邊形中的最狹窄支承多邊形無關的兩個或更多連桿離開地板(步驟S53)步驟S53與圖92的(2)和圖93的(2)相對應。在實際機器中，包括使軀體關節(jié)和髖關節(jié)相互連接的重心連桿的身體底部作為支承多邊形，除它們外的、從肩關節(jié)至軀體部件的兩個或更多連桿離開地板，成為與支承多邊形無關的連桿。
這時，實際機器的動作如圖95至96和113至114所示。在所示實例中，左、右臂部升高，然后驅動軀體關節(jié)俯仰軸促動器A3，以使身體的上部坐起來。因為臂部預先升高，因此力矩可以減小，以減小所需的最大扭矩。
然后，一端側的一個或更多非著地連桿彎曲，以使該連桿的端部著地，從而形成更狹窄的著地多邊形(步驟S54)。
步驟S54與圖92的(3)和圖93的(3)相對應。在實際機器中，盡管包括肩關節(jié)的兩個或更多連桿離地，但是它們環(huán)繞肩關節(jié)俯仰軸彎曲，從而使作為連桿端部的手著地。然后，手逐漸朝著作為身體重心位置的軀體俯仰軸運動，以形成比在地面上的初始姿勢更窄的著地多邊形。
這時，實際機器的動作如圖97至101和115至119所示。在所示實例中，首先通過驅動左、右肩關節(jié)滾轉軸A5而使左、右臂部橫向升高，然后再通過驅動上部左、右搖擺軸A6而使臂部的方向轉180度(圖98至99和116至117)。然后，通過驅動肩關節(jié)俯仰軸A4而使臂部逐漸降低。然后，手進行著地，以形成更狹窄的著地多邊形(圖101和119)。
在這樣形成的新著地多邊形之后，檢查是否可以將ZMP設置在著地多邊形中(步驟S55)。該判斷將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。然后，ZMP運動到著地多邊形內，以形成新的支承多邊形(步驟S56)。
這時，判斷支承多邊形是否充分狹窄(步驟S57)。其中，判斷使軀體俯仰軸和髖關節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開地板，或者ZMP是否能夠運動到只由腳部形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域中，這將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。下面將說明判斷支承多邊形是否充分狹窄的詳細步驟。
根據(jù)圖101和119中所示的實際機器的姿勢，認為支承多邊形并不充分狹窄。因此，在移動著地點以減小支承多邊形之后(步驟S50)，處理返回步驟S52，以重新試圖形成更狹窄的支承多邊形。
尋找由圖101和119所示姿勢中的著地連桿形成的、最狹窄的一個著地多邊形(步驟S53)。下面判斷能否設計當身體另一端側的至少兩個或更多連桿離開地板時的ZMP。ZMP的可設計性判斷將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。
然后，與著地多邊形中最狹窄的支承多邊形無關的兩個或更多連桿離開地板(步驟S53)。這對應于圖92中的(4)至(5)和圖93中的(4)至(5)。在實際機器中，包括膝關節(jié)俯仰軸的、另一端側處的兩個或更多連桿離地，成為與支承多邊形無關的連桿。
然后，一端側的一個或更多非著地連桿折疊，以使連桿的端部折疊，從而形成更狹窄的著地多邊形(步驟S54)。
這時，實際機器的動作在圖102至105和120至123中表示。在所示實例中，首先通過驅動用于右腿的髖關節(jié)俯仰軸驅動器A12而升高右腿，然后通過驅動膝關節(jié)促動器A14而使右腿彎曲，從而使該腿的腳底落在地板上。然后，通過驅動用于左腿的髖關節(jié)俯仰軸驅動器A12而升高左腿，然后通過驅動膝關節(jié)促動器A14而使左腿彎曲，從而使該腿的腳底落在地板上。通過逐漸使腳底接近髖關節(jié)俯仰軸12側(該髖關節(jié)俯仰軸側是身體重心的位置)，可以形成比初始著地姿勢更狹窄的著地多邊形。
在這樣形成新的著地多邊形之后，判斷是否可以將ZMP設置在著地多邊形中(步驟S55)。該判斷的進行將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、加速度、角加速度等。然后，ZMP運動到著地多邊形內，以形成新的支承多邊形(步驟S56)。
這時，再次判斷支承多邊形是否充分狹窄(步驟S57)。其中，判斷使軀體俯仰軸和髖關節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開地板，或者ZMP是否能夠運動到只由腳部形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域中，這將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。在圖105和123所示的實際機器的姿勢中，判斷形成了充分狹窄的支承多邊形。至于支承多邊形減小時臂的角度，根據(jù)扭矩量，該由從肩部軸線向地板延伸的法線和臂中心軸線確定的角度，優(yōu)選是在預定角度內。
然后，隨著身體的支承多邊形變得充分狹窄，當支承多邊形的相對端連桿的端部保持著地時，重心連桿離開地板，且當ZMP保持在由相對端連桿的著地連桿形成的支承多邊形內時，形成支承多邊形的相對端連桿的端部之間的距離減小，以使ZMP朝著連桿結構的另一端側運動(步驟S58)。這對應于圖92的(6)至(7)以及圖93的(6)至(7)。
在實際機器中，使軀體俯仰軸和髖關節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿離開地板，而作為著地多邊形的相對端連桿的端部的手和腳底保持著地，且手和腳底之間的距離逐漸減小，以使ZMP朝著腳底運動。這時實際機器的動作在圖106至109以及圖124至127中表示。
然后，隨著ZMP進入僅由數(shù)目比第二預定數(shù)目少、位于連桿結構另一端的著地連桿形成的著地多邊形中，在ZMP保持處于著地多邊形中時，數(shù)目比第一預定數(shù)目多、位于連桿結構一端側的連桿離開地板，然后，它們沿縱向方向伸展，以完成站起來的動作(步驟S59)。這與圖92的(8)以及圖93的(8)相對應。
在實際機器中，隨著ZMP進入由腳底形成的著地多邊形內，在ZMP保持處于著地多邊形中時，從肩關節(jié)俯仰軸4到踝關節(jié)俯仰軸14的連桿離開地板，且它們沿縱向方向伸展，以完成站起來的動作。這時實際機器的動作在圖110至111和128至129中表示。
當在站起來的最終階段非著地連桿沿縱向方向伸展時，保證在身體的動作中高效地使用具有相對較大質量操作量的膝關節(jié)俯仰軸來執(zhí)行動作。
應當知道，當在步驟S53中與最小支承多邊形無關的兩個或更多連桿不能離開地板時，將試圖使位于最大支承多邊形內部的兩個或更多著地連桿離地(步驟S61)。
當不能執(zhí)行步驟S61中的處理時，站起來的動作結束(步驟S64)。另一方面，當可以成功執(zhí)行步驟S61中的處理時，著地點進行運動，以進一步減小支承多邊形(步驟S62)。
當不能執(zhí)行步驟S62中的處理時，站起來的操作停止(步驟S64)。當可以成功執(zhí)行步驟S62中的處理時，檢查ZMP能否運動到能夠由腳底形成的穩(wěn)定區(qū)域中(步驟S63)。下面將介紹判斷支承多邊形是否充分狹窄的詳細步驟。當ZMP不能運動到穩(wěn)定區(qū)域中時，處理返回步驟S61，以重復執(zhí)行類似處理，從而減小支承多邊形。另一方面，當ZMP能夠運動到穩(wěn)定區(qū)域中時，處理前進到步驟S58，以執(zhí)行返回基本姿勢的動作。
順便說明，在步驟S53至S54中，利用肩滾轉軸執(zhí)行使左、右臂部橫向伸展的動作，如圖97至98和115至116所示，以使左、右手落在身體后面的地板上。這不經濟地增加了用于使有腿移動式機器人100執(zhí)行站起來的動作的體積。因此，圖96至101和113至119中所示的一系列動作可以由圖130和131中所示的動作代替，從而以使肘俯仰軸彎曲來代替使肩滾轉軸運動，這樣，左、右手可以通過在身體后面的更小使用體積來著地。
在上述站起來的動作的步驟中，需要在步驟S57和S63中判斷支承多邊形是否充分狹窄。圖173以流程圖的形式表示了判斷支承多邊形是否充分狹窄的處理步驟。
首先，確定ZMP偏移ε(εx，εy，εz)，也就是在能夠由腳部形成的穩(wěn)定區(qū)域的中心位置(x0，y0，z0)和當前的ZMP位置(x，y，z)之間的距離(步驟S71)。
然后，使ZMP偏移ε(εx，εy，εz)乘以預定增益G(Gx，Gy，Gz)，且該乘積加上當前腰的位置r(rhx(t)，rhy(t)，rhz(t))，以獲得在下一時間t＝t+Δt時的目標腰位置r(rhx(t+Δt)，rhy(t+Δt)，rhz(t+Δt))＝r(rhx(t)，hy(t)，rhz(t))+G(Gx，Gy，Gz)+ε(εx，εy，εz)。
然后，判斷下一目標腰位置是否能夠形成于當前的支承多邊形中(步驟S73)。該判斷通過計算下一目標腰位置來進行，同時保持著地連桿的著地點。換句話說，從腰位置和著地位置反向進行動力計算，且當計算結果表明角度在活動角度范圍內且力矩在關節(jié)促動器的允許力矩范圍內時，判斷下一目標腰位置可以形成于當前的支承多邊形中。
當下一目標腰位置不能形成于當前的支承多邊形中時，判斷不能使ZMP運動到能夠由腳部形成的穩(wěn)定區(qū)域中，整個處理程序終止。
另一方面，當下一目標腰位置可以形成于當前的支承多邊形中時，計算當腰部運動到下一目標腰位置時的ZMP(也就是下一ZMP)(步驟S74)。
然后，判斷ZMP是否在能夠由腳部形成的穩(wěn)定區(qū)域中(步驟S75)。當該判斷結果為肯定時，確定ZMP可以運動到能夠由腳部形成的穩(wěn)定區(qū)域中(步驟S76)，整個處理程序結束。另一方面，當判斷結果為否定時，下一腰位置設置為當前的腰位置，而下一ZMP設置成當前的ZMP，然后，處理返回步驟S71，以重復執(zhí)行類似處理。
應當知道，在圖130和131所示的動作的實例中，當上臂的長度由l1表示、前臂的長度由l2表示、肩滾轉角度由α表示肘俯仰軸角度由β表示、從肩到手的長度由l12表示、由使肩和手相互連接的線所確定的角度由Y表示、且肩的高度由h表示時(圖132)，在左、右手落在身體后面的地板上的動作期間，通過使肘俯仰軸7操作成滿足以下表達式，手根本不會與地板碰撞l12＝l1cosα+l2sin(α+β-90)l12sinγ＜h而且，圖92中所示的、站起來的動作模式表示了有腿移動式機器人的站起來的動作，該有腿移動式機器人的身體以連桿結構為模型，其中，肩關節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸沿高度方向連接。在圖133中，有腿移動式機器人的站起來的動作以概括成連桿結構的有腿移動式機器人來表示，其中，彼此基本平行且分別有關節(jié)自由度的多個關節(jié)軸沿縱向方向彼此連接。
圖133中所示的連桿結構通過使彼此基本平行且分別有關節(jié)自由度的多個關節(jié)軸沿縱向方向連接而形成。從地板姿勢(其中，所有的連桿都在地板上)站起來的動作利用連桿A、B、C、D、E和F來實現(xiàn)。
不過，應當知道，盡管各連桿A至F并不必須是單個連桿，而是實際上包括通過關節(jié)軸彼此連接的多個連桿，但是假設在站起來的動作期間，這些關節(jié)軸并不操作，連桿之間保持平直，這樣，它們象是單個連桿那樣起作用。例如，連桿A包括在連桿結構端部的第一至第h連桿的連桿；連桿B包括從該第h連桿的下一連桿到第i連桿的連桿；連桿C包括從該第i連桿的下一連桿到第j連桿的連桿；連桿D包括從該第j連桿的下一連桿到第k連桿的連桿；連桿E包括從該第k連桿的下一連桿到第l連桿的連桿；而連桿F包括從該第l連桿的下一連桿到第m連桿(或者在連桿結構的另一端的連桿)的連桿。
首先，著地多邊形形成于第F連桿和第A連桿之間，ZMP設置在著地多邊形內(圖133中的(1))然后，ZMP設置在第E連桿和第A連桿之間的著地多邊形內(圖133中的(2))。這時，可以利用第F連桿的運動，使連桿結構端部的兩個或更多連桿離開地板。
然后，在第F連桿和第A連桿之間新形成更窄的著地多邊形，且ZMP設置在該著地多邊形中(圖133中的(3))。例如，離地狀態(tài)的第F連桿彎曲，從而它的端部落在地面上，形成新的著地多邊形。
然后，在第F連桿和第D或C連桿之間新形成著地多邊形，且ZMP設置在該著地多邊形中(圖133中的(4))。這時，可以利用第A連桿的運動，使連桿結構另一端的兩個或更多連桿離開地板。
然后，使第D連桿著地，以由第F連桿和第A連桿新形成著地多邊形，且ZMP設置在該著地多邊形內(圖133中的(5))。例如，在離地狀態(tài)的連桿A彎曲，從而使它的端部落在地面上，形成新的著地多邊形。
然后，由第F連桿和第A連桿新形成著地多邊形，且ZMP設置在該著地多邊形中(圖133中的(6))。例如，處于著地狀態(tài)的第D連桿(與地板接觸)離開地板，同時使連桿結構的相對端部分保持著地。
然后，第F和A連桿的兩端點彼此對齊，以使ZMP運動到只由第A連桿形成的支承多邊形中(圖133中的(7))。
最后，連桿運動至基本站立姿勢，同時ZMP保持設置在只由第A連桿形成的支承多邊形內(圖133中的(8))。
F-2.從基本俯臥姿勢站起來的操作圖134表示了本實施例的有腿移動式機器人100通過同步配合驅動關節(jié)連桿模式的肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14執(zhí)行站起來的動作。
本實施例的有腿移動式機器人100也可以根據(jù)在圖91的流程圖中介紹的處理步驟從俯臥姿勢站起來，這基本與它從仰臥姿勢站起來的情況類似。下面將參考圖91所示的流程圖介紹身體從基本俯臥姿勢站起來的操作。
首先，身體采取地板姿勢中勢能最小的姿勢(步驟S51)。該姿勢對應于基本仰臥姿勢，在該姿勢中，將用于站起來動作的肩關節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14相互連接起來的連桿，全部處于著地狀態(tài)，如圖134中的(1)所示。這時，實際機器的狀態(tài)如圖135和154所示。
當身體處于基本仰臥姿勢時，從由著地連桿形成的著地多邊形中尋找最狹窄的支承多邊形(步驟S52)。這時，判斷是否可以設計當身體的一端側的至少兩個或更多連桿離開地板時的ZMP。判斷ZMP的可設計性可以考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。
然后，與著地多邊形中的最狹窄支承多邊形無關的兩個或更多連桿離開地板(步驟S53)。步驟S53與圖134的(2)相對應。在實際機器中，包括使軀體關節(jié)和髖關節(jié)相互連接的重心連桿的身體底部，作為支承多邊形，從肩關節(jié)至軀體關節(jié)的兩個或更多連桿離開地板，成為與支承多邊形無關的連桿。
這時，實際機器的動作如圖136至144和155至163所示。在所示實例中，左、右臂部的肩滾轉軸促動器A5工作，使臂部環(huán)繞肩滾轉軸沿地板樞軸轉動大約90度(圖136至137和155至156)。這時，上臂左、右搖擺軸促動器A6工作，使臂部環(huán)繞上臂左、右搖擺軸樞軸轉動大約180度(圖138和157)。而且，肩滾轉軸促動器A5操作，使臂部環(huán)繞肩滾轉軸沿地板樞軸轉動大約90度，直到臂部運動到頭部的側面(圖138至141和157至160)。
在圖136至141和165至170中所示的一系列動作中，各左、右臂部畫半圓。這時，可以檢測在身體周圍的地板上是否有障礙物，以保證站起來的動作所需的安全工作區(qū)域。
然后，一端側的一個或更多非著地連桿彎曲，以使該連桿的端部著地，從而形成更狹窄的著地多邊形(步驟S54)。步驟S54與圖134的(3)相對應。
在形成的新著地多邊形之后，檢查是否可以將ZMP設置在著地多邊形中(步驟S55)。該判斷將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。然后，ZMP運動到著地多邊形內，以形成新的支承多邊形(步驟S56)。
在實際機器中，當身體處于使左、右臂部保持伸直且肘俯仰軸7固定的狀態(tài)時，肩俯仰軸促動器A4、軀體俯仰軸促動器A9、髖關節(jié)俯仰軸促動器A12和膝關節(jié)俯仰軸促動器A14進行操作，形成支承多邊形，該支承多邊形由在手和左、右膝蓋著地的姿勢下的閉合連桿形成(圖142至144和161至163)。
在圖144和153所示的實際機器的姿勢中，支承多邊形并不充分狹窄。因此，著地點運動，以減小支承多邊形(步驟S60)。對于當支承多邊形減小時臂的角度，該由從肩部的軸線朝著地板延伸的法線以及臂的中心軸線確定的角度，優(yōu)選是在基于力矩量的預定角度內。
在實際機器中，當左、右臂部保持伸直時，手逐漸朝著作為另一著地點的腳底運動，以形成更狹窄的支承多邊形(圖145至148和164至167)。
這時，判斷支承多邊形是否充分狹窄(步驟S57)。其中，判斷使軀體俯仰軸和髖關節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開地板，或者ZMP是否能夠運動到只由腳部形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域中，這將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。當實際機器采取圖148和165中所示的姿勢時，判斷形成了充分狹窄的支承多邊形。
然后，隨著身體的支承多邊形變得充分狹窄，當ZMP保持在由相對端連桿的著地連桿形成的支承多邊形內時，形成支承多邊形的相對端連桿的端部之間的距離減小，以使ZMP朝著連桿結構的另一端側運動(步驟S58)。這對應于圖34的(6)至(7)。
在實際機器中，當作為著地多邊形的相對端連桿的端部的手和腳底保持著地時，使手和腳底之間的距離逐漸減小，以使ZMP朝著腳底運動。這時實際機器的動作在圖149至150以及圖168至169中表示。
然后，隨著ZMP進入僅由數(shù)目比第二預定數(shù)目少、連桿結構另一端的著地連桿形成的著地多邊形中，在ZMP保持處于著地多邊形中時，數(shù)目比第一預定數(shù)目多的、連桿結構一端側的連桿離開地板，然后，它們沿縱向方向伸展，以完成站起來的動作(步驟S59)。這與圖134的(8)相對應。
在實際機器中，隨著ZMP進入由腳底形成的著地多邊形內，在ZMP保持處于著地多邊形中時，從肩關節(jié)俯仰軸4到踝關節(jié)俯仰軸14的連桿離開地板，且它們沿縱向方向伸展，以完成站起來的動作。這時實際機器的動作在圖151至153和170至172中表示。
當在站起來的最終階段，非著地連桿沿縱向方向伸展時，保證在身體的動作中高效地使用具有相對較大質量操作量的膝關節(jié)俯仰軸來執(zhí)行動作。
F-3.站起來的操作的其它實例在圖91所示的站起來的操作中，使ZMP支承多邊形最小的姿勢與時間序列組合，以執(zhí)行具有使外部力矩最小的動作模式的站立操作。該站起來的動作在連續(xù)形成更小支承多邊形的處理中，利用手部和腳部的步進變化動作。不過，為了實現(xiàn)步進變化動作，需要使手部或腳部離開地板，且必須有兩個或更多與支承多邊形無關的連桿。不過，根據(jù)身體的姿勢，有時不能進行步進變化動作。這時，站起來的動作自身將失敗(圖91的步驟S64)。
相反，當不能在連續(xù)形成更小支承多邊形的處理中執(zhí)行手部和腳部的步進變化動作時，通過利用手部或腳部的拖動，可以減少站起來的動作失敗的可能性。下面將介紹在連續(xù)形成更小支承多邊形的處理中，利用手部和/或腳部的步進變化動作和拖動動作的站立操作。
圖174以流程圖的形式表示了利用手部和/或腳部的步進變化動作和拖動動作的站立操作。下面介紹站起來的動作的步驟。圖175至191連續(xù)表示了利用手部或腳部的步進變化動作或拖動動作使身體從基本俯臥姿勢站起來。在下面的說明中，將適當?shù)貐⒖几綀D。
首先，身體采取地板姿勢中勢能最小的姿勢(步驟S81)。該姿勢相當于基本俯臥姿勢，這時實際機器的狀態(tài)如圖175所示。
不過，應當知道，當在跌倒動作之后接著站起來時，步驟S81可以省略，以以更短的時間完成站起來的動作(后面將介紹)。
當身體處于基本俯臥姿勢時，從由著地連桿形成的著地多邊形中尋找最狹窄的支承多邊形(步驟S82)。這時，判斷是否可以設計當身體一端側的至少兩個或更多連桿離開地板時的ZMP。判斷ZMP的可設計性可以考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。
這時，判斷與著地多邊形中最狹窄的支承多邊形無關的兩個或更多連桿能否離開地板(步驟S83)。當與著地多邊形中最狹窄的支承多邊形無關的兩個或更多連桿能夠離開地板時，處理前進至步驟S84，從而通過手部或腳部的步進變化動作來形成更小的著地多邊形。另一方面，當與著地多邊形中最狹窄的支承多邊形無關的兩個或更多連桿不能離開地板時，處理前進至步驟S91，從而利用手部或腳部的拖動動作來形成更小的著地多邊形。
在步驟S84中，與最小支承多邊形無關的兩個或更多連桿離開地板，而且，非著地連桿彎曲并著地，以形成更小的著地多邊形(步驟S85)。
例如，當在兩手和兩腳處于地板上的情況下站起來過程中的機器人改變左腳和右腳的步位時(圖179至181和184至186)，非著地連桿彎曲，并落在地板上，以試圖形成更小的著地多邊形，如圖175、182至183、185和187所示。
然后，在形成新的著地多邊形之后，檢查是否可以將ZMP設置在著地多邊形中(步驟S86)。該判斷的進行將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、加速度、角加速度等。然后，ZMP運動到著地多邊形內，以形成新的支承多邊形(步驟S87)。當不能將ZMP設置在著地多邊形中時，處理返回步驟S83，這時再檢查應當執(zhí)行手部或腳部的步進變化動作和拖動動作中的哪一個。
這時，判斷支承多邊形是否充分狹窄(步驟S88)。其中，判斷使軀體俯仰軸和髖關節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開地板，或者ZMP是否能夠運動到只由腳部形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域中，這將考慮連桿結構的活動角度、使連桿相互連接的關節(jié)促動器的扭矩值、關節(jié)力、角速度、角加速度等。
然后，隨著身體的支承多邊形變得充分狹窄，在使ZMP保持在由相對端連桿的著地連桿形成的支承多邊形內時，形成支承多邊形的相對端連桿的端部之間的距離減小，以使ZMP運動至連桿結構的另一端側(步驟S89)。
在實際機器中，當作為著地多邊形的相對端連桿的端部的手和腳底保持落在地板上，在手和腳底之間的距離逐漸減小，以使ZMP朝著腳底運動。這時實際機器的動作在圖188至189中表示。
然后，隨著ZMP進入僅由數(shù)目比第二預定數(shù)目少、位于連桿結構另一端的著地連桿形成的著地多邊形中，在ZMP保持處于著地多邊形中時，數(shù)目比第一預定數(shù)目多、位于連桿結構一端側的連桿離開地板，然后，它們沿縱向方向伸展，以完成站起來的動作(步驟S90)。
在實際機器中，隨著ZMP進入由腳底形成的著地多邊形內，在ZMP保持處于著地多邊形中時，從肩關節(jié)俯仰軸4到踝關節(jié)俯仰軸14的連桿離開地板，且它們沿縱向方向伸展，以完成站起來的動作。這時實際機器的動作在圖190至191中表示。
在站起來的最終階段，當非著地連桿沿縱向方向伸展時，保證在身體的動作中高效地使用具有相對較大質量操作量的膝關節(jié)俯仰軸來執(zhí)行動作。
另一方面，當在步驟S83中判斷與最小支承多邊形無關的兩個或更多連桿不能離開地板時，將檢查位于最大支承多邊形的內部的兩個或更多著地連桿能否離開地板，以執(zhí)行手部或腳部的拖動動作(步驟S91)。
這時，當位于最大支承多邊形內部的兩個或更多著地連桿不能離開地板時，將判斷著地點能否進一步運動以減小支承多邊形。當不能減小該支承多邊形時，站起來的動作停止(步驟S95)。換句話說，站起來的動作失敗。
另一方面，當位于最大支承多邊形內部的兩個或更多著地連桿能夠離開地板時，位于最大支承多邊形內部的兩個或更多著地連桿離開地板(步驟S92)，且利用手部或腳部的拖動動作來使著地點運動，以減小支承多邊形(步驟S93)。
例如，如圖176至178和187至188所示，在兩手和兩腳落在地板上的情況下，站立過程中的機器人將兩手拖向腳，同時使這兩手保持在地板上，以逐漸減小支承多邊形。
然后，判斷該支承多邊形是否充分狹窄(步驟S88)。然后，隨著身體的支承多邊形變得充分狹窄，在使ZMP保持在由相對端連桿的著地連桿形成的支承多邊形內時，形成支承多邊形的相對端連桿的端部之間的距離減小，以使ZMP運動至連桿結構的另一端側(步驟S89)。
然后，隨著ZMP進入僅由數(shù)目比第二預定數(shù)目少、連桿結構另一端的著地連桿形成的著地多邊形中，在ZMP保持處于著地多邊形中時，數(shù)目比第一預定數(shù)目多、連桿結構一端側的連桿離開地板，然后，它們沿縱向方向伸展，以完成站起來的動作(步驟S90)。
圖199以流程圖形式表示了尋找使與最小支承多邊形無關的連桿數(shù)目最大的連桿以及連桿的位置的詳細過程。
首先，在步驟S101和102中，變量i和j以及數(shù)組型變量M進行初始化。然后，ZMP設置在第i連桿的第j位置(步驟S103)。
這時，判斷ZMP空間是否穩(wěn)定(步驟S104)。當ZMP空間穩(wěn)定時，計算與最小支承多邊形無關的連桿數(shù)目(步驟S105)，使L等于在第i連桿的第j位置情況下可以離地的連桿數(shù)目。然后，當L大于M時(步驟S106)，L(i，j)代入M(A、B)(步驟S107)。
另一方面，當ZMP空間不穩(wěn)定時，當L不大于M或者在L(i，j)代入M(A、B)后，j加1(步驟S108)，然后判斷j是否超過總位置數(shù)目J，然后處理返回步驟S103，以重復執(zhí)行與上述類似的處理。
然后，i加1(步驟S110)，然后判斷i是否大于總連桿部件I(步驟S111)。當i不大于總連桿數(shù)目時，處理返回步驟S102，以重復執(zhí)行與上述類似的處理。
當i大于總連桿數(shù)目I時，連桿代入A，位置代入B，然后結束并處理程序。
如上所述，在跌倒操作之后站起來時，步驟S81可以省略，以以更短時間完成站起來的操作。
例如，當身體的重心在腰部時，ZMP可以設置在使與最小支承多邊形無關的連桿的數(shù)目最大的位置。在該跌倒和著地動作后，所有可以離開地板的連桿都離地。特別是，下肢和軀體都向上運動，以使身體的上部和下肢都同時離開地板，而腳部、手部等處在地板上。因此，可以以更少的步驟形成更小的著地多邊形。因此，可以以更高速度實現(xiàn)高效站起來的運動。
圖192至198表示了身體在跌倒動作之后接著執(zhí)行站起來的動作時的一系列動作。
身體的朝后跌倒運動從如圖192所示的站立姿勢開始，如圖192至193所示，身體重心所在的腰部落在地板上，如圖194所示。
在圖194所示的實例中，ZMP使身體部分設置成與最小支承多邊形無關的連桿數(shù)目最大。而且，它的特征在于跌倒動作并不是終止于基本俯臥姿勢，而是處于腿部離開地板的狀態(tài)，這與參考圖23至38和39至55所述的實例不同。
在隨后的站起來的動作中，能夠離開地板的所有連桿(也就是腿部和身體部分)離開地板，如圖195所示，以開始站起來的動作。其中，驅動髖關節(jié)和/或軀體的俯仰軸驅動器，以使身體的上部坐起來，如圖196至197所示。驅動用于右腿的髖關節(jié)俯仰軸促動器A12，以升高右腿，并驅動用于右腿的膝關節(jié)俯仰軸促動器A14，以使右腿彎曲，這樣，右腿的腳底著地。然后，驅動用于腿的髖關節(jié)俯仰軸促動器A12，以升高左腿，并驅動用于左腿的膝關節(jié)俯仰軸促動器A14，以使左腿彎曲，這樣，左腿的腳底著地。通過使腳底朝著髖關節(jié)俯仰軸12側(這時身體的重心位置在該髖關節(jié)俯仰軸12側)逐漸運動，可以形成比初始地板姿勢更狹窄的支承多邊形，如圖198所示。
當在跌倒動作之后接著執(zhí)行站起來的動作時，與上面參考圖23至38和39至55所述的實例相比，能夠以更少步驟形成更小的著地多邊形。換句話說，應當知道，通過上述實施例，可以更高效地形成更狹窄的著地多邊形，并可以以更高速度執(zhí)行站起來的運動。
補充說明上面已經參考特定實施例詳細介紹了本發(fā)明。但是顯然，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領域技術人員可以對實施例進行改變或變化。
本發(fā)明的主題并不必須局限于成為“機器人”的產品。特別是，本發(fā)明同樣可以用于利用電或機械作用來執(zhí)行類似于人類動作的任意一種機械裝置，即使該機械裝置是屬于其它工業(yè)領域的產品，例如玩具。
總而言之，已經通過

介紹了本發(fā)明，但是，不應該對本說明書所述的內容作限制性的理解。為了確定本發(fā)明的主題，應當參考本申請的權利要求。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明，可以提供超級有腿移動式機器人和用于有腿移動式機器人的超級跌倒動作控制方法，從而可以在跌倒和跌落的過程中通過整個身體(不僅腿部，而且身體和臂部)的動作控制而盡可能減少在其它情況下可能對該機器人造成的損害。
而且，根據(jù)本發(fā)明，可以提供用于有腿移動式機器人的超級動作控制裝置和動作控制方法，從而使該機器人可以自己從地板姿勢(例如仰臥姿勢或俯臥姿勢)恢復到它的站立姿勢。
而且，根據(jù)本發(fā)明，可以提供用于有腿移動式機器人的超級動作控制裝置和動作控制方法，從而使該機器人可以通過扭矩相對較低的穩(wěn)定動作而從地板姿勢(例如仰臥姿勢或俯臥姿勢)恢復到它的站立姿勢。
權利要求
1.一種有腿移動式機器人的動作控制裝置，該有腿移動式機器人包括可運動的腿，并可在站立姿勢下進行腿操作，其特征在于所述有腿移動式機器人有多個姿勢或狀態(tài)，且所述動作控制裝置包括第一裝置，用于計算由所述有腿移動式機器人的身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S；第二裝置，用于計算支承多邊形的面積S每時間Δt的變化ΔS/Δt；和第三裝置，用于根據(jù)支承多邊形的面積S或該面積S的變化率ΔS/Δt，在要改變位置或狀態(tài)時，確定身體的動作。
2.根據(jù)權利要求1所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于，所述第三裝置包括著地位置尋找裝置，用于在所述有腿移動式機器人跌倒時，根據(jù)由所述身體著地點和地板形成的支承多邊形的面積S每時間Δt的變化來，尋找著地位置；目標著地點設置裝置，用于設置目標著地點，由著地位置尋找裝置選擇的位置應當在該目標著地點著地，這樣，由所述身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S每時間Δt的變化ΔS/Δt可以減至最小；以及位置著地裝置，用于使由所述著地部分尋找裝置選定的位置在由所述目標著地點設置裝置設置的目標著地點處著地。
3.根據(jù)權利要求2所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，還包括支承多邊形擴大裝置，用于使著地部分運動，從而使由所述位置著地裝置選擇的位置著地而新形成的支承多邊形可以進一步擴大。
4.根據(jù)權利要求2所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于重復執(zhí)行由所述著地部分選擇裝置和所述目標著地點設置裝置進行的、部分的著地操作和/或由所述支承多邊形擴大裝置進行的、支承多邊形的擴大操作。
5.根據(jù)權利要求2所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于所述有腿移動式機器人由連桿結構形成，其中，多個具有關節(jié)自由度的基本平行關節(jié)軸沿縱向彼此連接；以及所述目標著地點設置裝置將使得非著地連桿的數(shù)目最大的連桿所處的位置設置為目標。
6.根據(jù)權利要求1所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于所述有腿移動式機器人由連桿結構形成，其中，多個具有關節(jié)自由度的基本平行關節(jié)軸沿縱向彼此連接，以及所述第三裝置包括尋找裝置，用于當所述有腿移動式機器人從跌倒狀態(tài)返回時，從著地多邊形中尋找由最少數(shù)目的連桿形成的最窄支承多邊形，該著地多邊形在有腿移動式機器人處于地板姿勢時由著地連桿形成，在有腿移動式機器人的地板姿勢中，包括位于所述身體重心的重心連桿的兩個或更多連桿落在地板上；離地裝置，用于使除了尋找出的支承多邊形的著地連桿之外的著地多邊形的著地連桿離地；更窄著地多邊形形成裝置，用于使非著地連桿中的兩個或更多連續(xù)連桿彎曲，直到端部連桿的端部到達地板上，從而形成更窄的著地多邊形；以及站立裝置，使數(shù)目多于第一預定數(shù)目的連桿從連桿結構的一端側離地，以隨著支承多邊形充分狹窄而使所述身體豎直站立。
7.根據(jù)權利要求6所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于尋找支承多邊形的所述尋找裝置，在零力矩點保持可設計時，選取可以離開地板的著地連桿。
8.根據(jù)權利要求6所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于尋找支承多邊形的所述尋找裝置，尋找更狹窄的支承多邊形，同時使重心連桿保持在著地狀態(tài)。
9.根據(jù)權利要求6所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于使所述身體豎直站立的所述站立裝置，判斷在著地多邊形的相對端連桿的端部著地時的狀態(tài)下，重心連桿是否能夠離地，從而判斷支承多邊形是否充分狹窄。
10.根據(jù)權利要求6所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于使所述身體豎直站立的所述站立裝置包括重心連桿離地裝置，用于在支承多邊形的相對端連桿的端部著地時的狀態(tài)下，使重心連桿離開地板；零力矩點運動裝置，用于在重心連桿離地時的狀態(tài)下，減小在支承多邊形的相對端連桿的端部之間的距離，以使零力矩點運動至所述連桿結構的相對端側；以及擴展非著地連桿裝置，用于隨著零力矩點進入僅由數(shù)目比第二預定數(shù)目少、所述連桿結構的另一端的著地連桿形成的著地多邊形中，在零力矩點保持處于著地多邊形中時，使數(shù)目比第一預定數(shù)目多的、連桿結構一端側的連桿離開地板，以沿縱向方向擴展非著地連桿。
11.根據(jù)權利要求10所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于沿縱向方向擴展非著地連桿的所述擴展非著地連桿裝置，利用具有相對較大質量操作量的關節(jié)自由度來穩(wěn)定操作。
12.根據(jù)權利要求6所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于所述連桿結構至少包括沿所述身體的高度方向彼此連接的肩關節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸。
13.根據(jù)權利要求12所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于在零力矩點保持可設計時，用于尋找支承多邊形的所述尋找裝置選取從所述連桿結構的一端側伸出的、包括至少肩關節(jié)俯仰軸的兩個或更多連續(xù)連桿作為能夠離開地板的連桿。
14.根據(jù)權利要求12所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于尋找支承多邊形的所述尋找裝置，尋找更狹窄的支承多邊形，同時在著地狀態(tài)中，使所述軀體俯仰軸和所述髖關節(jié)俯仰軸相互連接的連桿保持作為重心連桿
15.根據(jù)權利要求12所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于形成更狹窄的著地多邊形的所述更窄著地多邊形形成裝置，使非著地連桿環(huán)繞所述肩關節(jié)俯仰軸彎曲，使得作為一個端部連桿的端部的手落在地板上。
16.根據(jù)權利要求15所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于當上臂的長度由l1表示、前臂的長度由l2表示、肩滾轉角度由α表示、肘俯仰角度由β表示、從肩到手的長度由l12表示、使肩和手相互連接的線所確定的角度由γ表示、肩的高度由h表示時，各臂部滿足以下表達式l12＝l1cosα+l2sin(α+β-90)l12sinγ＜h
17.根據(jù)權利要求12所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于在零力矩點保持可設計時，用于尋找支承多邊形的所述尋找裝置選取從所述連桿結構的另一端側伸出的、包括至少所述膝關節(jié)俯仰軸的兩個或更多連續(xù)連桿作為能夠離開地板的連桿。
18.根據(jù)權利要求12所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于形成更狹窄的著地多邊形的所述更窄著地多邊形形成裝置，使非著地連桿環(huán)繞所述膝關節(jié)俯仰軸彎曲，使得作為所述連桿結構端部連桿的端部的腳底著地。
19.根據(jù)權利要求12所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于使所述身體豎直站立的所述站立裝置，判斷在作為著地多邊形的相對端連桿端部的手和腳底著地時的狀態(tài)下，使所述軀體俯仰軸和所述髖關節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開地板，以判斷支承多邊形是否充分狹窄。
20.根據(jù)權利要求12所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于，用于使所述身體豎直站立的所述站立裝置包括重心連桿離地裝置，用于在作為支承多邊形的相對端連桿端部的手和腳底著地時的狀態(tài)下，使重心連桿離開地板，該重心連桿使所述軀體俯仰軸和所述髖關節(jié)俯仰軸相互連接；零力矩點運動裝置，用于在重心連桿離開地板時的狀態(tài)下，減小作為著地多邊形相對端連桿端部的手和腳底之間的距離，以使零力矩點運動至腳底；以及擴展著非地連桿裝置，用于隨著零力矩點進入由腳底形成的著地多邊形中，在零力矩點保持處于著地多邊形中時，使從所述肩俯仰軸至所述膝蓋俯仰軸的連桿離地，以沿縱向方向擴展非著地連桿，從而使所述身體豎直站立。
21.根據(jù)權利要求20所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于用于沿縱向方向擴展非著地連桿的所述擴展非著地連桿裝置，利用具有相對較大質量操作量的膝關節(jié)俯仰軸來操作。
22.根據(jù)權利要求6所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于根據(jù)與最小支承多邊形無關的兩個或更多連桿是否能夠離開地板，用于產生更狹窄的著地多邊形的所述更窄著地多邊形形成裝置，選擇利用手部或腳部在地板上的步進變化動作和拖動動作中的一種，以形成更狹窄的著地多邊形。
23.一種有腿移動式機器人的動作控制方法，該有腿移動式機器人包括可運動的腿，并可在站立姿勢下進行腿操作，其特征在于所述有腿移動式機器人有多個姿勢或狀態(tài)，且所述動作控制方法包括第一步驟，計算由所述有腿移動式機器人身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S；第二步驟，計算支承多邊形的面積S每時間Δt的變化ΔS/Δt；以及第三步驟，根據(jù)支承多邊形的面積S或該面積S的變化率ΔS/Δt，在要改變位置或狀態(tài)時，確定身體的動作。
24.根據(jù)權利要求23所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于，所述第三步驟包括著地位置尋找步驟，在所述有腿移動式機器人跌倒時，根據(jù)由所述身體著地點和地板形成的支承多邊形的面積S每時間Δt的變化來尋找著地位置；目標著地點設置步驟，設置目標著地點，由著地位置尋找步驟選擇的位置應當在該目標著地點著地，這樣，由所述身體著地點和地板形成的支承多邊形的面積S隨時間Δt的變化ΔS/Δt可以減至最小；以及位置著地步驟，使由著地位置尋找步驟選定的位置在由目標著地點設置步驟設置的目標著地點處著地。
25.根據(jù)權利要求24所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，還包括支承多邊形擴大步驟，用于使著地部分運動，從而使由位置著地步驟選擇的位置著地而新形成的支承多邊形可以進一步擴大。
26.根據(jù)權利要求24所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于重復執(zhí)行由著地部分選擇步驟和目標著地點設置步驟中的部分的著地操作和/或由所述支承多邊形擴大步驟進行的支承多邊形的擴大操作。
27.根據(jù)權利要求24所述的有腿移動式機器人的動作控制步驟，其特征在于所述有腿移動式機器人由連桿結構形成，其中，多個具有關節(jié)自由度的基本平行關節(jié)軸沿縱向彼此連接；以及目標著地點設置步驟將使得非著地連桿的數(shù)目最大的連桿所處的位置設置為目標。
28.根據(jù)權利要求23所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于，所述有腿移動式機器人由連桿結構形成，其中，多個具有關節(jié)自由度的基本平行關節(jié)軸沿縱向彼此連接；以及所述第三步驟包括下面的步驟當所述有腿移動式機器人從它的跌倒狀態(tài)返回時，從著地多邊形中尋找由最少數(shù)目的連桿形成的最窄支承多邊形的步驟，該著地多邊形在有腿移動式機器人處于地板姿勢時由著地連桿形成，在有腿移動式機器人的地板姿勢中，包括位于所述身體重心的重心連桿的兩個或更多連桿落在地板上；使得除了尋找出的支承多邊形的著地連桿之外的、著地多邊形的著地連桿離地；使非著地連桿中的兩個或更多連續(xù)連桿彎曲，直到端部連桿的端部到達地板上，從而形成更狹窄的著地多邊形；以及使連桿結構一端側的、數(shù)目比第一預定數(shù)目多的連桿離地，以隨著支承多邊形充分狹窄而使所述身體豎直站立。
29.根據(jù)權利要求28所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在零力矩點保持可設計時，在尋找支承多邊形的步驟中，選取可以離開地板的著地連桿。
30.根據(jù)權利要求28所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在尋找支承多邊形的步驟中，尋找更狹窄的支承多邊形，同時使重心連桿保持在著地狀態(tài)。
31.根據(jù)權利要求28所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于在使所述身體豎直站立的步驟中，判斷在著地多邊形相對端連桿的端部著地時的狀態(tài)下，重心連桿是否能夠離地，從而判斷支承多邊形是否充分狹窄。
32.根據(jù)權利要求28所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于，在使所述身體豎直站立的步驟中在支承多邊形相對端連桿的端部著地時的狀態(tài)下，使重心連桿離開地板，并減小支承多邊形相對端連桿的端部之間的距離，使零力矩點運動至所述連桿結構的另一端側；以及隨著零力矩點進入僅由數(shù)目比第二預定數(shù)目少、所述連桿結構另一端的著地連桿形成的著地多邊形中，在零力矩點保持處于著地多邊形中時，使數(shù)目比第一預定數(shù)目多、連桿結構一端側的連桿離開地板，以沿縱向方向擴展非著地連桿。
33.根據(jù)權利要求32所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在沿縱向方向擴展非著地連桿的步驟中，利用具有相對較大質量操作量的關節(jié)自由度來操作。
34.根據(jù)權利要求28所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于所述連桿結構至少包括沿所述身體的高度方向彼此連接的肩關節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸。
35.根據(jù)權利要求34所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在零力矩點保持可設計時，在尋找支承多邊形的步驟中，選取從所述連桿結構的一端側伸出的、包括至少肩關節(jié)俯仰軸的兩個或更多連續(xù)連桿，作為能夠離開地板的連桿。
36.根據(jù)權利要求34所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在尋找支承多邊形的步驟中，尋找更狹窄的支承多邊形，同時在著地狀態(tài)中，使所述軀體俯仰軸和所述髖關節(jié)俯仰軸相互連接的連桿保持作為重心連桿。
37.根據(jù)權利要求34所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在形成更狹窄的著地多邊形的步驟中，使非著地連桿環(huán)繞所述肩關節(jié)俯仰軸彎曲，以使得作為一個端部連桿的端部的手落在地板上。
38.根據(jù)權利要求37所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于當上臂的長度由l1表示、前臂的長度由l2表示、肩滾轉角度由α表示肘俯仰軸角度由β表示、從肩到手的長度由l12表示、使肩和手相互連接的線所確定的角度由γ表示、肩的高度由h表示時，各臂部滿足以下表達式l12＝l1cosα+l2sin(α+β-90)l12sinγ＜h
39.根據(jù)權利要求34所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在零力矩點保持可設計時，在尋找支承多邊形的步驟中，選取從所述連桿結構的另一端側伸出的、包括至少所述膝關節(jié)俯仰軸的兩個或更多連續(xù)連桿，作為能夠離開地板的連桿。
40.根據(jù)權利要求34所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在形成更狹窄的著地多邊形的步驟中，使非著地連桿環(huán)繞所述膝關節(jié)俯仰軸彎曲，以使得作為所述連桿結構端部連桿的端部的腳底著地。
41.根據(jù)權利要求34所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在使所述身體豎直站立的步驟中，判斷在作為著地多邊形相對端連桿的端部的手和腳底著地時的狀態(tài)下，使所述軀體俯仰軸和所述髖關節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開地板，以判斷支承多邊形是否充分窄。
42.根據(jù)權利要求34所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在使所述身體豎直站立的步驟中，在作為著地多邊形相對端連桿的端部的手和腳底著地時的狀態(tài)下，使連接所述軀體俯仰軸和所述髖關節(jié)俯仰軸的重心連桿離開地板，并在重心連桿離開地板時的狀態(tài)下，減小作為著地多邊形相對端連桿的端部的手和腳底之間的距離，以使零力矩點運動至腳底；以及隨著零力矩點進入由腳底形成的著地多邊形中，在零力矩點保持處于著地多邊形中時，使從所述肩俯仰軸至所述膝蓋俯仰軸的連桿離地，以沿縱向方向擴展著非地多邊形，從而使所述身體豎直站立。
43.根據(jù)權利要求42所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在沿縱向方向擴展非著地連桿的步驟中，利用具有相對較大質量操作量的膝關節(jié)俯仰軸來操作。
44.根據(jù)權利要求28所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于在產生更狹窄的著地多邊形的步驟中，根據(jù)與最小支承多邊形無關的兩個或更多連桿是否能夠離開地板，從而選擇利用手部或腳部在地板上的步進變化動作和拖動動作中的一種，以形成更狹窄的著地多邊形。
45.一種有腿移動式機器人，它包括可運動的腿，并在站立姿勢下執(zhí)行腿的操作，包括外力檢測裝置，用于檢測施加給所述有腿移動式機器人的身體的外力；零力矩點軌跡設計裝置，用于根據(jù)所述外力檢測裝置的檢測結果，將使得施加給所述身體的力矩彼此平衡的零力矩點布置在由腳底著地點和地板形成的支承多邊形的邊上或內部；以及跌倒動作執(zhí)行裝置，用于當由于施加給所述身體的外力而使得所述零力矩點軌跡計劃裝置很難或不能將零力矩點布置在支承多邊形內時，執(zhí)行所述身體的跌倒動作。
46.根據(jù)權利要求45所述的有腿移動式機器人，其特征在于所述外力檢測裝置利用布置在各腳底的加速度傳感器或者地板反作用力傳感器或者布置在身體的腰部位置處的加速度傳感器，檢測施加給所述身體的外力。
47.一種有腿移動式機器人的動作控制方法，該有腿移動式機器人包括可運動的腿，并能夠在站立姿勢下執(zhí)行腿的操作，該方法包括外力檢測步驟，檢測施加給所述有腿移動式機器人的身體的外力；零力矩點軌跡設計步驟，根據(jù)外力檢測步驟的檢測結果，將使得施加給所述身體的力矩彼此平衡的零力矩點布置在由腳底著地點和地板形成的支承多邊形的邊上或內部；以及跌倒動作執(zhí)行步驟，當由于施加給所述身體的外力而使得在零力矩點軌跡計劃步驟中很難或不能將零力矩點布置在支承多邊形內時，執(zhí)行所述身體的跌倒動作。
48.根據(jù)權利要求47所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于在所述外力檢測步驟中，利用布置在各腳底的加速度傳感器或者地板反作用力傳感器或者布置在身體的腰部位置處的加速度傳感器而檢測施加給所述身體的外力。
49.一種有腿移動式機器人的動作控制裝置，該有腿移動式機器人包括可運動的腿，并能夠在站立姿勢下執(zhí)行腿的操作，該動作控制裝置包括沖擊力矩計算裝置，用于計算在所述身體跌倒的各階段向所述有腿移動式機器人的身體施加的沖擊力矩；沖擊力計算裝置，用于計算在跌倒的各階段從地板向所述身體施加的沖擊力；支承多邊形面積計算裝置，用于計算由所述身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S；第一著地位置尋找裝置，用于選擇下一著地位置，從而使支承多邊形的面積S可以減至最小或固定；以及第二著地位置尋找裝置，用于選擇下一著地位置，從而使支承多邊形的面積S可以增加。
50.根據(jù)權利要求49所述的有腿移動式機器人的動作控制裝置，其特征在于當由地板施加給所述身體的沖擊力在預定允許值范圍內時，所述身體的跌倒動作將通過所述第二著地位置尋找裝置來執(zhí)行，但是當沖擊力超出預定允許值范圍時，身體的跌倒動作將通過第一著地位置尋找裝置來執(zhí)行。
51.一種有腿移動式機器人的動作控制方法，該有腿移動式機器人包括可運動的腿，并能夠在站立姿勢下執(zhí)行腿的操作，該動作控制方法沖擊力矩計算步驟，計算在所述身體跌倒的各階段向所述有腿移動式機器人的身體施加的沖擊力矩；沖擊力計算步驟，計算在跌倒的各階段從地板向所述身體施加的沖擊力；支承多邊形面積計算步驟，計算由所述身體的著地點和地板形成的支承多邊形的面積S；第一著地位置尋找步驟，選擇下一著地位置，從而使支承多邊形的面積S可以減至最小或固定；以及第二著地位置尋找步驟，選擇下一著地位置，從而使支承多邊形的面積S可以增加。
52.根據(jù)權利要求51所述的有腿移動式機器人的動作控制方法，其特征在于當由地板施加給所述身體的沖擊力在預定允許值范圍內時，所述身體的跌倒動作將通過第二著地位置尋找步驟來執(zhí)行，但是當沖擊力超出預定允許值范圍時，身體的跌倒動作將通過第一著地位置尋找步驟來執(zhí)行。
53.一種動作控制裝置，用于控制關于有腿移動式機器人的身體的跌倒和站起來的一系列動作，該有腿移動式機器人包括可運動的腿，并在站立姿勢下執(zhí)行腿的操作，其特征在于所述有腿移動式機器人由連桿結構形成，其中，多個具有關節(jié)自由度的基本平行關節(jié)軸沿縱向方向彼此連接；以及所述動作控制裝置包括最窄支承多邊形尋找裝置，用于從地板姿勢中的著地連桿形成的著地多邊形中，尋找由最小數(shù)目的連桿形成的最狹窄的支承多邊形，其中，當所述有腿移動式機器人跌倒時，包括位于所述身體重心的重心連桿的兩個或更多連桿落在地板上；零力矩點設置裝置，用于將零力矩點設置在使與最小支承多邊形無關的連桿數(shù)目最大時的位置，以執(zhí)行跌倒動作；離地連桿尋找裝置，用于尋找在所述身體的跌倒姿勢中能夠離開地板的連桿；以及離地裝置，用于使能夠離開地板的所有連桿離地，以執(zhí)行站起來的動作。
54.一種動作控制方法，用于控制關于有腿移動式機器人的身體的跌倒和站起來的一系列動作，該有腿移動式機器人包括可運動的腿，并在站立姿勢下執(zhí)行腿的操作，其特征在于所述有腿移動式機器人由連桿結構形成，其中，多個具有關節(jié)自由度的基本平行關節(jié)軸沿縱向方向彼此連接；以及所述動作控制方法包括下列步驟從地板姿勢中的著地連桿形成的著地多邊形中，尋找由最小數(shù)目的連桿形成的最狹窄的支承多邊形，其中，當所述有腿移動式機器人跌倒時，包括位于所述身體重心的重心連桿的兩個或更多連桿落在地板；將零力矩點設置在使與最小支承多邊形無關的連桿數(shù)目最大時的位置，以執(zhí)行跌倒動作；尋找在所述身體的跌倒姿勢中能夠離開地板的連桿；以及使能夠離開地板的所有連桿都離地，以執(zhí)行站起來的動作。
55.一種機器人裝置，該機器人裝置有軀體部分、與該軀體部分相連的腿部以及與該軀體部分相連的臂部，其特征在于，該機器人裝置還包括支承多邊形檢測裝置，用于檢測當腿部、軀體部分和/或臂部著地時由所述腿部、軀體部分和/或臂部的多個端部形成的第一支承多邊形；支承多邊形改變裝置，用于使所述腿部朝著所述軀體部分彎曲，以減小第一支承多邊形的面積；零力矩點動作控制裝置，用于判斷位于改變的第一支承多邊形中的零力矩點能否運動至由所述腿部的腳底形成的著地多邊形中；以及控制裝置，用于當零力矩點動作控制裝置判斷零力矩點能夠運動時，使零力矩點從第一支承多邊形內運動至由腳底形成的著地多邊形中，并當零力矩點保持在著地多邊形中時，使所述機器人裝置的姿勢從跌倒姿勢變化成基本姿勢。
56.一種機器人裝置，至少包括身體；一個或多個臂連桿，該臂連桿分別通過第一關節(jié)(肩)與身體的上部連接；第一腿連桿，該第一腿連桿通過第二關節(jié)(髖關節(jié))與所述身體的底部連接；第二腿連桿，該第二腿連桿通過第三關節(jié)(膝)與所述第一腿連桿的端部連接，其特征在于，該機器人裝置還包括第一支承多邊形形成裝置，用于使所述臂連桿的端部和在所述第二腿連桿端部的腳部著地，以形成第一支承多邊形；運動裝置，用于在所述臂連桿的端部和所述腳部保持著地時，使所述第二關節(jié)沿垂直于地板的方向向上運動而高于所述第三關節(jié)，減小第一支承多邊形的面積，并使零力矩點運動至由腳部形成的著地多邊形中；以及站立裝置，用于在零力矩點保持在由所述腳部形成的著地多邊形中時，使所述機器人裝置的身體豎直站立。
全文摘要
一種有腿移動式機器人，當施加在它上面的外力或外力矩過高且不能設計腳部動作時將放棄正常行走動作并開始跌倒動作。這時，身體的支承多邊形的面積S隨時間t的變化量ΔS/Δt最小，且當身體落在地板上時，支承多邊形增至最大，以將身體落在地板上時由地板作用在身體上的沖擊分散到整個身體上，從而使得對身體的損害減至最小。而且，該有腿移動式機器人能自己從地板姿勢例如仰臥姿勢或俯臥姿勢返回站立姿勢。
文檔編號B62D57/032GK1518488SQ0380050
公開日2004年8月4日 申請日期2003年3月17日 優(yōu)先權日2002年3月15日
發(fā)明者山口仁一, 三上達郎, 官本敦史, 史, 郎 申請人:索尼公司, 山口仁一