專利名稱：機(jī)器人設(shè)備、腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制設(shè)備和方法、腿式移動機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)和移 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及至少含有數(shù)條活動腿的腿式移動機(jī)器人(leggedlocomotion robot)的運(yùn)動控制設(shè)備和方法、腿式移動機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)和移動單元，尤其涉及采用ZMP(零力矩點(diǎn))作為穩(wěn)定性判據(jù)的腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制設(shè)備和方法。
更具體地說，本發(fā)明面向根據(jù)來自安裝在機(jī)器人的各種部分上的傳感器的測量引入的ZMP方程用于識別控制機(jī)器人運(yùn)動的未知外力矩和未知外力的、腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制設(shè)備和方法、腿式移動機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)和移動單元，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)用于有效地測量引入ZMP方程所需的運(yùn)動參數(shù)的、腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制設(shè)備和方法、腿式移動機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)和移動單元。
背景技術(shù)：
根據(jù)電磁工程學(xué)設(shè)計出來以模仿人的運(yùn)動的機(jī)械設(shè)備被稱為“機(jī)器人(robot)”。據(jù)說術(shù)語“機(jī)器人”來源于斯拉夫語(Slavic)單詞“ROBOTA(隨動機(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)線自動化或無人化而設(shè)計、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)計成具有像人類和類人猿等那樣的雙足直立行走動物的物理機(jī)理和運(yùn)動的腿式移動機(jī)器人的研究和開發(fā)已經(jīng)取得進(jìn)展，并且，這樣的腿式移動機(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)動相比，直立姿勢下的雙足移動在姿勢和行走方面更不穩(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階之類的階梯式表面上的靈活運(yùn)動方面更具優(yōu)越性。
此外，設(shè)計成實(shí)現(xiàn)人類的生物機(jī)理和運(yùn)動的腿式移動機(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。
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)動設(shè)備作為移動裝置的當(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范圍相同的范圍內(nèi)運(yùn)動。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，下面從如下兩個觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)一步描述研究和開發(fā)稱為“類人機(jī)器人”、使雙足直立行走的腿式移動機(jī)器人的意義。
觀點(diǎn)之一是從人類科學(xué)的角度來說。也就是說，設(shè)計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。通過貫穿這樣的過程的工程學(xué)，可以闡明包括行走在內(nèi)的人類自然運(yùn)動的機(jī)理。這種研究的結(jié)果還非常有助于促進(jìn)涉及運(yùn)動機(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)動科學(xué)等。
另一個觀點(diǎn)是作為人類的伙伴能夠輔助人類生活，即能夠在生活環(huán)境和各種其它日常事務(wù)狀況下幫助人們從事活動的實(shí)用機(jī)器人的開發(fā)。關(guān)于這種類型的機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)該將它們設(shè)計成一邊通過用戶教授，一邊通過學(xué)習(xí)對個性不同的人或在各個方面的人類生活環(huán)境下對不同環(huán)境的訪問，在功能方面不斷成長。對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)會避開它決不應(yīng)該踩到的障礙物地穿過一個房間。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(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)。
對于雙足腿式移動機(jī)器人的姿勢控制和穩(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“不會跌倒地用腳運(yùn)動”。
控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢對于防止機(jī)器人跌倒是非常重要的?！暗埂币馕吨鴻C(jī)器人正在做的活動中斷了。機(jī)器人需要作出很大的努力和花費(fèi)許多時間才能從傾翻狀態(tài)恢復(fù)到它的直立位置，重新開始活動。此外，跌倒將使機(jī)器人本身以及機(jī)器人在跌倒過程中撞到的物品受到嚴(yán)重毀壞。因此，在設(shè)計和開發(fā)腿式移動機(jī)器人的過程中，控制機(jī)器人在行走或工作期間采取穩(wěn)定姿勢是最重要技術(shù)問題之一。
當(dāng)機(jī)器人正在行走時，由重力和行走運(yùn)動引發(fā)的加速度將使來自機(jī)器人的運(yùn)動系統(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)。
控制腿式移動機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢和防止機(jī)器人在行走的時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應(yīng)的腳趾運(yùn)動控制條件。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)公開在Miomir Vukobratovic的“Legged Locomotion Robots(腿式移動機(jī)器人)”中。
一般說來，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改變的問題對于雙足行走機(jī)器人尤其重要。
對于將ZMP用作確定雙足行走機(jī)器人的姿勢穩(wěn)定性的判據(jù)，人們已經(jīng)提出了一些建議。
例如，待審日本專利申請第H05-305579號公開了為了穩(wěn)定行走使ZMP是點(diǎn)的表面上點(diǎn)與姿勢控制的目標(biāo)值一致的腿式移動機(jī)器人。
此外，待審日本專利申請第H05-305581號公開了設(shè)計成當(dāng)腳底接觸和離開行走表面時，ZMP位于支撐多邊形內(nèi)，或者位于相對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第H05-305583號公開了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置控制運(yùn)動速度的腿式移動機(jī)器人。更具體地說，預(yù)置行走模式數(shù)據(jù)用于驅(qū)動腿關(guān)節(jié)，使ZMP與目標(biāo)位置一致，檢測機(jī)器人上身的傾角，并且與檢測的傾角相對應(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，可以通過提高數(shù)據(jù)輸出速率恢復(fù)正常姿勢。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，可以毫無問題地改變數(shù)據(jù)輸出速率。
此外，待審日本已公布專利申請第H05-305585號公開了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置控制腳底接觸的位置的腿式移動機(jī)器人。更具體地說，公開的腿式移動機(jī)器人通過檢測ZMP目標(biāo)位置與測量位置之間的位移，并且驅(qū)動一條或兩條腿以便消除這種位移，或者通過檢測有關(guān)ZMP目標(biāo)位置的力矩，并且驅(qū)動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第H05-305586號公開了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置控制其傾斜姿勢的腿式移動機(jī)器人。更具體地說，機(jī)器人通過檢測由ZMP目標(biāo)位置引發(fā)的力矩(如果存在的話)，并且驅(qū)動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，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，通過在將受控對象點(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)計算加速度數(shù)據(jù)，導(dǎo)出ZMP方程。
在上面基于ZMP方程的計算只用于控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢的情況下，計算量越大，數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)就越重，因此計算所需的時間就越長。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)時地糾正機(jī)器人軌線的動作。此外，為了嚴(yán)格控制機(jī)器人姿勢，最好應(yīng)該在機(jī)器人上設(shè)置數(shù)個受控對象點(diǎn)。但是，在這種情況下，數(shù)據(jù)計算將花費(fèi)非常長時間，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)的移動機(jī)器的運(yùn)動嚴(yán)格地根據(jù)例如ZMP方程來控制。在這種情況下，機(jī)器人運(yùn)動的最嚴(yán)格控制將通過測量局部坐標(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)器人上每個點(diǎn)的位置(姿勢)和加速度、ZMP位置、外力和外力矩，以及引入在ZMP方程中用以識別未知外力矩和外力的測量值，控制機(jī)器人上每個點(diǎn)的位置和加速度來達(dá)到。
機(jī)器人運(yùn)動可以利用最小數(shù)量的傳感器來控制，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)上的測角器(或加速度計)和陀螺儀以及每一個都部署在預(yù)期外力和外力矩施加在其上并除了動作的實(shí)際位置之外的點(diǎn)上的六個軸向力傳感器。
但是，對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，難以通過直接測量機(jī)器人上所有點(diǎn)的位置和加速度來控制機(jī)器人運(yùn)動。
傳統(tǒng)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(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)境也不變改變。
(2)機(jī)器人周圍的外部環(huán)境中的平動(translation)摩擦系數(shù)足夠大不會引起任何滑動。
(3)即使有任何外力和轉(zhuǎn)矩施加在機(jī)器人上，機(jī)器人也不會變形。
因此，在有外力和轉(zhuǎn)矩施加在上面時其表面將移動的碎石路、厚層地毯上或在由于沒有足夠的平動摩擦系數(shù)而滑動的屋內(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)動控制系統(tǒng)是基于上面假設(shè)的，通過對機(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)和跳躍在內(nèi)的整體運(yùn)動而設(shè)計的傳統(tǒng)機(jī)器人將不會表現(xiàn)良好。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是通過提供一種能夠根據(jù)作為姿勢穩(wěn)定性判據(jù)的ZMP，對運(yùn)動過程中機(jī)器人姿勢的穩(wěn)定化作出控制、腿式移動機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動控制設(shè)備和方法，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠通過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、腿式移動機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動控制設(shè)備和方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠根據(jù)作為姿勢穩(wěn)定性判據(jù)的ZMP，良好地控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢、腿式移動機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動控制設(shè)備和方法和改進(jìn)和新穎傳感器系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠通過利用根據(jù)來自配備在機(jī)器人上的各個點(diǎn)上的傳感器的測量值引入的ZMP方程識別未知外力矩和未知外力，良好地控制機(jī)器人運(yùn)動、腿式移動機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動控制設(shè)備和方法和腿式移動機(jī)器人的改進(jìn)和新穎傳感器系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠通過分布在機(jī)器人上的各個點(diǎn)上的傳感器形成的系統(tǒng)有效地測量引入ZMP方程所需的運(yùn)動參數(shù)、腿式移動機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動控制設(shè)備和方法和腿式移動機(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提供包括基本單元和與基本單元連接的數(shù)個運(yùn)動單元的機(jī)器人設(shè)備來達(dá)到，根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備包括分別配備在基本單元和至少一個運(yùn)動單元上的受控對象點(diǎn)；分別部署在受控對象點(diǎn)上的數(shù)個加速度傳感器；控制運(yùn)動單元的裝置；和利用根據(jù)來自每個加速度傳感器的加速度信息引入的預(yù)定方程，計算施加在機(jī)器人設(shè)備上的未知力矩和/或未知外力的裝置，控制裝置根據(jù)來自計算裝置的所計算的未知力矩和/或未知外力控制運(yùn)動單元。
為了保證機(jī)器人設(shè)備姿勢的穩(wěn)定性，必須通過引入像例如ZMP方程或動力學(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控制機(jī)器人運(yùn)動。在ZMP處在支撐多邊形內(nèi)部的情況下，在系統(tǒng)中不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動或平動，沒有必要求解轉(zhuǎn)動或平動動力學(xué)方程，ZMP方程利用系統(tǒng)定義的適當(dāng)ZMP空間來求解，以控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢。此外，在ZMP沒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)境沒有關(guān)系的情況下，通過求解動力學(xué)方程控制機(jī)器人在姿勢上保持穩(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方程和動力學(xué)方程兩者。
這里請注意，為了用公式表示方程，有必要確定機(jī)器人上每個受控對象點(diǎn)的位置和加速度。但是，在只將受控對象點(diǎn)上的位置數(shù)據(jù)取作傳感器輸入的控制系統(tǒng)中，必須通過求導(dǎo)或處理與計算加速度數(shù)據(jù)緊密相關(guān)的位置數(shù)據(jù)，在計算加速度數(shù)據(jù)之后導(dǎo)出方程。在這種情況下，計算量越大，數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)就越重，因此，計算所需的時間就越長。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)時地糾正機(jī)器人軌線的動作。
另一方面，由于加速度傳感器配備在設(shè)置在數(shù)個位置上的每個受控對象點(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)和以減少的計算量引入方程。其結(jié)果是，即使對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提供至少包括數(shù)個運(yùn)動的腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制設(shè)備或方法來達(dá)到，根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備或方法包括檢測機(jī)器人上數(shù)個點(diǎn)的每一個上的動力學(xué)狀態(tài)的狀態(tài)檢測裝置或步驟；和根據(jù)來自狀態(tài)檢測裝置或步驟的檢測結(jié)果控制機(jī)器人的運(yùn)動的運(yùn)動控制裝置或步驟。
上面的狀態(tài)檢測裝置或步驟包括檢測機(jī)器人上的每個受控對象點(diǎn)上的加速度的加速度測量裝置或步驟和在機(jī)器人與環(huán)境接觸的時候檢測ZMP和力的反作用力測量裝置或步驟。在這樣的情況下，運(yùn)動控制裝置或步驟可以通過生成描述施加在機(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)部搜索沒有力矩的點(diǎn)。更具體地說，在機(jī)器人姿勢控制中，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)器人將通過測量局部坐標(biāo)的原點(diǎn)在世界坐標(biāo)中的加速度、局部坐標(biāo)下機(jī)器人上每個受控對象點(diǎn)的位置(姿勢)和加速度、ZMP位置和外力矩，并且控制每個點(diǎn)的位置和加速度來達(dá)到。
但是，除了測量局部坐標(biāo)的原點(diǎn)在世界坐標(biāo)中的加速度之外，通過計算所有點(diǎn)的每一個的位置和加速度完成、機(jī)器人姿勢的按原則控制成本昂貴，并且，其缺點(diǎn)在于，在機(jī)器人中安放測量系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，將機(jī)器人上最大程度地移動質(zhì)量的、作為受控對象點(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量裝置部署在受控對象點(diǎn)上，以直接測量在機(jī)器人的那個位置上的姿勢和加速度。因此，使機(jī)器人的基于ZMP姿勢控制成為可能。
另一方面，在大量移動質(zhì)量的點(diǎn)被設(shè)置成受控對象點(diǎn)的情況下，不根據(jù)世界坐標(biāo)直接測量腳的狀態(tài)，但根據(jù)受控對象點(diǎn)的計算結(jié)果相對地計算它。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，行走表面也決不會移動。
(2)行走表面上的平動摩擦系數(shù)應(yīng)該足夠大，不會引起任何滑動。
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的碎石路、厚層地毯上或在由于沒有足夠的平動摩擦系數(shù)而滑動的屋內(nèi)的磚地上穩(wěn)定地行走(移動)。
由于這個原因，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)和用于姿勢控制的局部坐標(biāo)和直接測量局部坐標(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，可以與上述條件無關(guān)地對穩(wěn)定姿勢實(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)量移動合并在控制系統(tǒng)中，并且，質(zhì)量移動與部署在主要用于使移動穩(wěn)定的區(qū)域(腰部)上的加速度傳感器和姿勢傳感器直接測量的結(jié)果的結(jié)合使得有可能不依賴于上述條件地對穩(wěn)定姿勢實(shí)現(xiàn)腿式移動機(jī)器人的控制。
此外，狀態(tài)檢測裝置可以包括用于姿勢控制的局部坐標(biāo)和配備在每個控制點(diǎn)上、直接測量坐標(biāo)的加速度傳感器和角速度傳感器和/或部署在用于計算模型中的每個矢量位置上的加速度傳感器和姿勢傳感器。
在這樣的情況下，可以直接測量引入ZMP方程(動力學(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變形，就可以高度靈敏地實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的運(yùn)動控制。
為根據(jù)本發(fā)明的腿式移動機(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致動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)明的腿式移動機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)包括分別安裝在每個致動器的重心附近和每條連桿除了致動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)明的腿式移動機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)包括分別安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心和每條連桿除了致動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算的力矩項和外力項。可以有效地計算這些項之和，以便高速地計算ZMP方程和動力學(xué)方程。
腿式移動機(jī)器人的、作為關(guān)節(jié)的、形成自由度的致動器包括由轉(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)個相的磁線圈形成。在控制器上，傳感器單元被安裝在致動器單元的二維重心附近的電源中。
“傳感器單元”包括例如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。
通過結(jié)合附圖，對實(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)明的腿式移動機(jī)器人的一個實(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機(jī)器人100中的控制系統(tǒng)；圖5示出了腿式移動機(jī)器人100的多個質(zhì)點(diǎn)(mass point)的近似模型；圖6放大地例示了多個質(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)建腿式移動機(jī)器人100的穩(wěn)定行走運(yùn)動過程中所作的操作的流程；
圖8還示出了在創(chuàng)建腿式移動機(jī)器人100的穩(wěn)定行走運(yùn)動過程中所作的操作的流程的另一種形式；圖9-19說明了如何設(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機(jī)器人的每個致動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示出了在腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制過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)定位置上的過程中所作的操作的流程；圖25示出了在根據(jù)動力學(xué)方程的解控制機(jī)器人處在穩(wěn)定位置上的過程中所作的操作的流程；圖26示出了部署在腿式移動機(jī)器人上的每個致動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機(jī)器人上的每個致動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)致動器的功能圖；圖30示出了在每個控制點(diǎn)上的關(guān)節(jié)致動器中，有關(guān)ZMP的力矩項、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項和由于施加在控制點(diǎn)上的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩項的依次加起來；和圖31示出了在每個控制點(diǎn)上的關(guān)節(jié)致動器中，施加在控制點(diǎn)上的平動力項、由于有關(guān)ZMP的力矩而施加的平動力項和外力項的依次加起來。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式下面參照附圖針對本發(fā)明的實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。
A.腿式移動機(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機(jī)器人100的一個實(shí)施例的正視圖和后視圖。它處在直立位置上。如圖所示，腿式移動機(jī)器人100包括身體、頭部、左右上肢和用于腿式運(yùn)動的左右下肢。內(nèi)置在身體中的控制單元(未示出)提供整個機(jī)器人的系統(tǒng)控制。
左右下肢的每一個包括大腿、膝關(guān)節(jié)、第二大腿、腳踝和腳。下肢通過臀關(guān)節(jié)連接到軀干的底部。左右上肢的每一個包括上臂、肘關(guān)節(jié)和前臂。上肢通過肩關(guān)節(jié)連接到軀干的每個上側(cè)。此外，頭部通過頸關(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機(jī)器人100中的關(guān)節(jié)致動器的驅(qū)動和處理來自各傳感器(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?？刂茊卧梢赃M(jìn)一步包括遙控通信接口和通信設(shè)備。
腿式移動機(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。一般說來，雙足行走可以通過重復(fù)劃分成如下操作階段的行走循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。
(1)右腿離開行走表面的單腿(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。
腿式移動機(jī)器人100的行走可以通過預(yù)先計劃下肢的目標(biāo)軌線并在上述每個階段中校正計劃軌線來控制。也就是說，在雙腿支撐階段，停止下肢軌線校正，通過利用總校正量的一個不變值校正臀部(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幾何關(guān)系校正軌線，以便落在計劃軌線內(nèi)。
除了行走運(yùn)動的軌線校正之外，對穩(wěn)定位置的機(jī)器人控制還包括利用五階方程的內(nèi)插來保證對于與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機(jī)器人100作為關(guān)節(jié)的自由度。如圖3所示，腿式移動機(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)個末端或肢體連接，下肢包括提供機(jī)器人100的移動的兩條腿。
支撐頭部的頸關(guān)節(jié)擁有3個自由度，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)個手指即多個關(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，以娛樂為目的的腿式移動機(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，取決于對機(jī)器人設(shè)計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。
腿式移動機(jī)器人100的上述自由度的每一個實(shí)際上是致動器。致動器最好應(yīng)該是小型的和輕質(zhì)的，因為機(jī)器人應(yīng)該具有沒有過分凸出、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。本發(fā)明的這個實(shí)施例應(yīng)用了具有在一個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)伺服致動器。例如，已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的申請人的待審日本已公布專利申請第2000-299970號公開了這種類型的AC伺服致動器。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)動系統(tǒng)本身的被動特性。
B.腿式移動機(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，腿式移動機(jī)器人100包括模仿人的四個肢體(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)胤健１M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?0可以位于腿式移動機(jī)器人100的外部并使其與機(jī)器人100進(jìn)行有線或無線通信。
圖3中的腿式移動機(jī)器人100的每個關(guān)節(jié)即自由度是通過相應(yīng)致動器實(shí)現(xiàn)的。更具體地說，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)軸致動器A1、頸關(guān)節(jié)俯仰軸致動器A2和頸關(guān)節(jié)搖晃軸致動器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的軀干俯仰軸致動器A9和軀干搖晃軸致動器A10。
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/L，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)俯仰軸致動器A4、肩關(guān)節(jié)搖晃軸致動器A5、上臂偏轉(zhuǎn)軸致動器A6、肘關(guān)節(jié)俯仰軸致動器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)軸致動器A11、臀關(guān)節(jié)俯仰軸致動器A12、臀關(guān)節(jié)搖晃軸致動器A13、膝關(guān)節(jié)俯仰軸A14、踝關(guān)節(jié)俯仰軸A15和踝關(guān)節(jié)搖晃軸A16。
更可取地，用在關(guān)節(jié)上的致動器A1、A2、A3、...每一個可以由直接與齒輪耦合、含有在一個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器驅(qū)動的分控制器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和姿勢傳感器96。加速度傳感器95部署在X軸、Y軸和Z軸方向。對于部署在機(jī)器人100的腰部上的加速度傳感器95，可以將大量移動質(zhì)量的臀部或腰部設(shè)置成受控對象點(diǎn)，直接測量那個位置中的機(jī)器人姿勢和加速度，并且根據(jù)ZMP控制機(jī)器人100處在穩(wěn)定姿勢上。
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)置成受控對象點(diǎn)，而腳底的狀態(tài)必須根據(jù)受控對象點(diǎn)的計算結(jié)果相對地計算出來。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，行走表面也決不會運(yùn)動。
(2)行走表面上的平動摩擦系數(shù)應(yīng)該足夠大，不會引起任何滑動。
另一方面，在本實(shí)施例中，直接測量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)矩施加在上面時其表面將移動的碎石路、厚層地毯上或在由于沒有足夠的平動摩擦系數(shù)而滑動的屋內(nèi)的磚地上，也可以保證機(jī)器人的穩(wěn)定行走(運(yùn)動)。
主控制單元80可以響應(yīng)來自傳感器91到93每一個的輸出，動態(tài)地校正控制目標(biāo)。更具體地說，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，以實(shí)現(xiàn)腿式移動機(jī)器人100的上肢、軀干和下肢相互協(xié)作的整體運(yùn)動模式。
在機(jī)器人100的整體運(yùn)動中，主控制單元80將設(shè)置腳運(yùn)動、ZMP(零力矩點(diǎn))軌線、軀干運(yùn)動、上肢運(yùn)動、臀部高度等和設(shè)置與這些設(shè)置相對應(yīng)的運(yùn)動的命令傳送到分控制器35、45、55和65。分控制器35、45、...的每一個將解釋從主控制器81接收的命令，將驅(qū)動控制信號輸出到驅(qū)動器A1、A2、A3、...的每一個。這里涉及的“ZMP”是地板或行走表面上沒有由當(dāng)機(jī)器人100正在行走時引發(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ZMP移動的軌線。
C.控制腿式移動機(jī)器人處于穩(wěn)定姿勢接著描述在形成腿上移動時，即在形成腳、臀、軀干和下肢相互協(xié)作的整體移動時，使根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人100的姿勢達(dá)到穩(wěn)定的過程。
對于根據(jù)本實(shí)施例控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢，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)部沒有力矩的點(diǎn)。也就是說，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，將最大程度地移動質(zhì)量的、作為機(jī)器人上受控對象點(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量裝置部署在受控對象點(diǎn)上，以測量那個位置上的姿勢和加速度，從而根據(jù)ZMP控制機(jī)器人采取穩(wěn)定姿勢。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-1 ZMP方程的引入根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人100是無限即連續(xù)質(zhì)點(diǎn)的集合。但是，這里請注意，為了減小使姿勢達(dá)到穩(wěn)定的計算量，使用由有限個離散質(zhì)點(diǎn)形成的近似模式。更具體地說，由如圖5所示的多個質(zhì)點(diǎn)形成的近似模式用來取代具有像如圖3所示的關(guān)節(jié)那樣的多個自由度的腿式移動機(jī)器人100。所示的近似模式是利用多個質(zhì)點(diǎn)的線性、無干擾近似模式。
在圖5中，O-XYZ坐標(biāo)系表示絕對坐標(biāo)系中的搖晃軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸，并且O′-X′Y′Z′坐標(biāo)系表示與機(jī)器人100一起運(yùn)動的動態(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，帶撇號的符號與動態(tài)坐標(biāo)有關(guān)。
mh臀部質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量r→h′(r′hx,r′hy,r′hz):]]>臀部質(zhì)點(diǎn)的位置矢量mi第i質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量 第i質(zhì)點(diǎn)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(yùn)動坐標(biāo)(與機(jī)器人一起運(yùn)動)系O-XYZ絕對坐標(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′i”表示第i質(zhì)點(diǎn)的位置矢量(在動態(tài)坐標(biāo)系中)。腿式移動機(jī)器人100的重心位于臀部(腰部)附近。也就是說，臀部是最大程度地移動質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)。在圖5中，臀部的質(zhì)量用“mh”表示，臀部的位置矢量(在動態(tài)坐標(biāo)系中)用“r′h(r′hx，r′hy，r′hz)”表示。此外，機(jī)器人100上ZMP的位置矢量用“r′zmp(r′zmpx，r′zmpy，r′zmpz)”表示。
世界坐標(biāo)系O-XYZ是絕對坐標(biāo)系，它是不變的。根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動機(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rq是從來自這些傳感器的輸出中檢測到的。另一方面，動態(tài)坐標(biāo)系即局部坐標(biāo)系O-X′Y′Z′與機(jī)器人一起運(yùn)動。
可以說，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、兩個肘和兩個腕、一個軀干、一個臀和兩個腳踝。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。一般說來，可以按如下方式創(chuàng)建多質(zhì)點(diǎn)近似模型(1)確定整個機(jī)器人100的質(zhì)量分布。
(2)通過設(shè)計者人工輸入或在預(yù)定規(guī)則下的自動生成來設(shè)置質(zhì)點(diǎn)。
(3)為每個區(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)將每個質(zhì)點(diǎn)mi表示成將質(zhì)點(diǎn)位置rI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轉(zhuǎn)角(θhx，θhy，θhz)定義腿式移動機(jī)器人100的姿勢即搖晃軸、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)器人用多個質(zhì)點(diǎn)mi表示，在質(zhì)點(diǎn)被取作受控對象點(diǎn)的情況下，ZMP方程用于確定施加在受控對象點(diǎn)mi上的力矩的總和。
通過世界坐標(biāo)系(O-XYZ)和局部坐標(biāo)系(O′-X′Y′Z′)描述的機(jī)器人的ZMP方程分別如下通過世界坐標(biāo)系表示的ZMP方程Σjr=r′+rqall-particlesmi(ri-rzmp)r··i+T-ΣjMj-Σk(sk-rzmp)×Fk=0]]>通過局部坐標(biāo)系表示的ZMP方程Σjr··=r··′+r··qall-particlesmi(ri′-rzmp′)×(r··i′+rq)+T-ΣjMj-Σk(sk′-rzmp′)×Fk=0]]>上面的ZMP方程表明，由施加在每個質(zhì)點(diǎn)mi上的加速度分量引發(fā)、有關(guān)ZMP(半徑ri-rzmp)的力矩的總和、施加在每個質(zhì)點(diǎn)mi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。換句話說，在將ZMP用作穩(wěn)定性判據(jù)的姿勢穩(wěn)定控制中，對于力矩誤差為零或小于可接受值的機(jī)器人運(yùn)動(腳運(yùn)動和上體組件的軌線)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，可以利用受控對象點(diǎn)上的加速度測量結(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。
C-2穩(wěn)定姿勢的整體協(xié)作控制圖7示出了在創(chuàng)建腿式移動機(jī)器人100的穩(wěn)定行走運(yùn)動過程中所作的操作的流程。但是，在如下的描述中，利用如圖5和6所示的線性、無干擾多質(zhì)點(diǎn)近似模型描述腿式移動機(jī)器人100的關(guān)節(jié)位置和運(yùn)動。
首先，設(shè)置腳運(yùn)動(在步驟S1中)。腳運(yùn)動是有關(guān)兩個或多個機(jī)器人停頓之間的時序連接的運(yùn)動數(shù)據(jù)。
運(yùn)動數(shù)據(jù)包括例如代表腳的每個關(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)動數(shù)據(jù)可以通過控制臺顯示屏幕上的屏幕觸摸輸入或通過直接教授機(jī)器人例如運(yùn)動編輯創(chuàng)作系統(tǒng)來形成。
接著，根據(jù)設(shè)置的腳運(yùn)動計算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)動和ZMP穩(wěn)定區(qū)設(shè)置腳運(yùn)動的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S11中)。
為組件組的每一個設(shè)置所需軌線(在步驟S12中)。與對腳的軌線設(shè)置相似，機(jī)器人的上半部的軌線設(shè)置可以通過控制臺顯示屏幕上的屏幕觸摸輸入或通過直接教授機(jī)器人例如運(yùn)動編輯創(chuàng)作系統(tǒng)來完成。
接著，對每個點(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，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)量移動量的比較順序分配優(yōu)先級。其結(jié)果是，所需軌線的優(yōu)先級指定組由機(jī)器人的上半部分上的點(diǎn)組成。與機(jī)器人姿勢相對應(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)的每個組計算可用于力矩補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量(在步驟S15中)。
然后，根據(jù)腳運(yùn)動、ZMP軌線和機(jī)器人的上半部上的點(diǎn)的每個組的一組所需軌線，以在步驟S14中設(shè)置的優(yōu)先順序?qū)C(jī)器人點(diǎn)的每個組的運(yùn)動模式放入姿勢穩(wěn)定化操作中。
在姿勢穩(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)。所需軌線用于沒有為其計算目標(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)和計算(在步驟S23中)力矩補(bǔ)償量。
接著，借助于為第i點(diǎn)計算的力矩補(bǔ)償量，為第i點(diǎn)導(dǎo)出ZMP方程(在步驟S24中)，并且為那個點(diǎn)計算力矩補(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。
通過對所有的點(diǎn)組進(jìn)行上面的操作，可以生成穩(wěn)定運(yùn)動(例如，行走)的整體運(yùn)動模式。也就是說，通過根據(jù)ZMP方程(或后面將詳細(xì)描述的動力學(xué)方程)的解和指定給每個點(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)動模式。
在像圖7中那樣生成機(jī)器人運(yùn)動模式的過程中，首先，設(shè)置腳運(yùn)動，以便計算設(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)先順序是針對機(jī)器人的上半部上的點(diǎn)的。但是，在后一種情況下，計算穩(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點(diǎn)的優(yōu)先順序之后，通過計算ZMP穩(wěn)定區(qū)和設(shè)置ZMP軌線生成機(jī)器人運(yùn)動的過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)。
為組件組的每一個設(shè)置所需軌線(在步驟S32中)。與對腳的軌線設(shè)置相似，機(jī)器人的上半部的軌線設(shè)置可以通過控制臺顯示屏幕上的屏幕觸摸輸入或通過直接教授機(jī)器人例如運(yùn)動編輯創(chuàng)作系統(tǒng)來完成。
接著，對每個點(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，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)動量可比的順序分配優(yōu)先級。其結(jié)果是，所需軌線的優(yōu)先級指定組由機(jī)器人的上半部分上的點(diǎn)組成。與機(jī)器人姿勢相對應(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)的每個組計算可用于力矩補(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)的每個組的運(yùn)動模式放入姿勢穩(wěn)定化操作中。
在姿勢穩(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)。所需軌線用于沒有為其計算目標(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)和計算(在步驟S40中)力矩補(bǔ)償量。
接著，借助于為第i點(diǎn)計算的力矩補(bǔ)償量，為第i點(diǎn)導(dǎo)出ZMP方程(在步驟S41中)，并且為那個點(diǎn)計算力矩補(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Ω[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αi×Ω[Nm]，其中，“i”是絕對力矩補(bǔ)償量系數(shù)，利用相對力矩補(bǔ)償量系數(shù)βi將其表示如下αiβi×MiΣi=1nMi,]]>其中，Σi=1nαi=1.0]]>補(bǔ)償量系數(shù)相對于零的偏差越大，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，而朝負(fù)面方向變化導(dǎo)致更低的穩(wěn)定性。
下面針對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。
對于如圖9所示的、人用手推動手推車的運(yùn)動模式，將手軌線的優(yōu)先級設(shè)置為較高。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，將手運(yùn)動的優(yōu)先級設(shè)置成α＝0.0，而將其余的總優(yōu)先級設(shè)置成α＝1.0。
對于如圖10所示的、人用兩只手?jǐn)[動握住的高爾夫球棍(或棒球棍)的運(yùn)動模式，以手和腳的順序設(shè)置優(yōu)先級。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，手的優(yōu)先級是α＝0.0，腳的優(yōu)先級是α＝0.1，其余的總優(yōu)先級是α＝0.9。
在如圖11所示的、作為器械體操的鞍馬的運(yùn)動模式中，重點(diǎn)在于僅僅用手支撐身體和腿的姿勢。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。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，手的優(yōu)先級是α＝0.0，軀干和下肢(肩的軌線)的優(yōu)先級是α＝0.0，其余的總優(yōu)先級是α＝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)動模式中，按降序為手、軀干、臀部和腳設(shè)置優(yōu)先級。
在如圖13所示的、像手倒立那樣的運(yùn)動模式中，兩只手支撐著整個身體使姿勢保持穩(wěn)定。按降序為手、軀干和臀部設(shè)置優(yōu)先級。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，手的優(yōu)先級是α＝0.0，軀干的優(yōu)先級是α＝0.2，臀部的優(yōu)先級是α＝0.3，其余的總優(yōu)先級是α＝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)個玻璃杯的托盤的運(yùn)動模式中，為開始移動表演者頭部設(shè)置較高優(yōu)先級。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，軀干的優(yōu)先級是α＝0.0，其余的總優(yōu)先級是α＝1.0。
在如圖15所示的、在一邊支撐著數(shù)個呼啦圈一邊使它們繞臀部和軀干旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動模式中，為軀干設(shè)置較高。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，軀干的優(yōu)先級是α＝0.0，其余的總優(yōu)先級是α＝1.0。
在如圖16所示的、像運(yùn)動員帶著一根長桿助跑和跳過設(shè)置在某個高度上的橫桿的撐桿跳高那樣的運(yùn)動模式中，下肢、臀部、軀干和上肢的優(yōu)先級隨時間而變化。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，在最初階段，腳的優(yōu)先級是α＝0.0，在中間階段，臀部和軀干的優(yōu)先級是α＝0.0，而在最后階段，上肢的優(yōu)先級是α＝0.0。在每個階段中，其余的總優(yōu)先級是α＝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)動模式中，一樣高地設(shè)置所有點(diǎn)的軌線的優(yōu)先級。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，為所有點(diǎn)共同設(shè)置優(yōu)先級，總優(yōu)先級是α＝1.0。
在如圖18所示的、像張開雙手或利用雨傘在鋼絲上行走那樣的運(yùn)動模式中，按降序為腳、上肢和軀干設(shè)置優(yōu)先級。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，腳的優(yōu)先級是α＝0.0，上肢和軀干的優(yōu)先級是α＝0.1，其余的總優(yōu)先級是α＝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)動模式中，按降序為上肢、軀干和腳設(shè)置優(yōu)先級。作為優(yōu)先級設(shè)置的一個例子，上肢和軀干的優(yōu)先級是α＝0.1，腳的優(yōu)先級是α＝0.2，其余的總優(yōu)先級是α＝0.7。
D.對機(jī)械硬件的形變加以考慮的運(yùn)動控制傳統(tǒng)腿式移動機(jī)器人和機(jī)器人基于動力學(xué)的設(shè)計是基于當(dāng)有外力和力矩施加在上面時機(jī)器人的形變非常小，對于整個機(jī)器人的運(yùn)動可忽略不計的假設(shè)的。也就是說，由于傳統(tǒng)機(jī)器人和它的計算基于機(jī)器人關(guān)節(jié)之間的距離不發(fā)生改變的假設(shè)，對于機(jī)器人系統(tǒng)的每個單元，一個狀態(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，且因此具有高動力學(xué)水平的機(jī)器人時，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)時求解更高級方程的功能。
由于這個原因，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)動控制系統(tǒng)。
請注意，這里采用了如下定義(參閱“機(jī)械動力學(xué)(Dynamics ofMechanics)”，Japan Society of Mechanical Engineering，Ohm-sha，pp.31-33，March 25，1991)平動慣性力＝-(重量/重力加速度)×加速度轉(zhuǎn)動慣性矩＝-(最大轉(zhuǎn)動慣量×角加速度)最大慣性矩繞旋轉(zhuǎn)軸的慣性矩根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人使用ZMP(零力矩點(diǎn))作為穩(wěn)定性判據(jù)。基于ZMP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，在系統(tǒng)中不會發(fā)生轉(zhuǎn)動和平動，因此，不必求解任何轉(zhuǎn)動和平動的動力學(xué)方程。但是，應(yīng)該注意到，在沒有ZMP存在于支撐多邊形內(nèi)的情況下，或在周圍沒有支撐作用點(diǎn)存在的情況下，取代ZMP方程，必須求解動力學(xué)方程。
機(jī)器人的ZMP方程是施加在受控對象點(diǎn)上的力矩之間的平衡關(guān)系的描述。機(jī)器人用多個質(zhì)點(diǎn)mi表示，在將質(zhì)點(diǎn)取作受控對象點(diǎn)的情況下，ZMP方程用于確定施加在受控對象點(diǎn)mi上的力矩的總和。
通過機(jī)器人的世界坐標(biāo)系(O-XYZ)和局部坐標(biāo)系(O′-X′Y′Z′)描述的平衡的ZMP方程分別如下通過世界坐標(biāo)系表示的ZMP方程
Σiall-particlesmi(ri-pzmp)×r··i+T-ΣjMj-Σk(sk-pzmp)×Fk=0]]>r＝r′+Q通過局部坐標(biāo)系表示的ZMP方程Σiall-particlesmi(r‾i-P‾zmp)×(r‾··i+Q‾··)+T-ΣjMj-Σk(S‾k-P‾zmp)×Fk=0]]>Σiall-particlesmir‾i×(r‾··i+Q‾··)-Σiall-particlesmip‾zmp×(r‾··i+Q‾··)+T-ΣjMj-Σk(S‾k-P‾zmp)×Fk=0]]>r··=r‾··+Q··]]>上面的ZMP方程表明，由施加在每個質(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-rzmp)的力矩的總和、施加在每個質(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)定姿勢上。換句話說，在將ZMP用作穩(wěn)定性判據(jù)的姿勢穩(wěn)定控制中，對于力矩誤差為零或小于可接受值，機(jī)器人運(yùn)動(腳運(yùn)動和上體各組件的軌線)的校正是關(guān)鍵。
在根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人中，直接測量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)動控制的局部坐標(biāo)和直接測量局部坐標(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傳感器配備在用于計算模型中的每個矢量位置上，從而允許直接測量引入ZMP方程(或動力學(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變形，就可以以更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的運(yùn)動控制。
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致動器的重心附近。
(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致動器的重心和每條連桿除了致動器之外的重心附近。
(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致動器的重心、電池的重心和每條連桿除了致動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)，在每個控制點(diǎn)上直接測量施加在每個控制點(diǎn)上的加速度分量，因此，可以在每個點(diǎn)上直接計算如此生成的、有關(guān)ZMP的力矩項、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項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。在主控制單元中依次求和從控制點(diǎn)收集的力矩項，從而允許直接引入平衡的更嚴(yán)格ZMP方程。此外，由于在每個控制點(diǎn)上直接測量力矩項，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變形，就可以以更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的運(yùn)動控制。
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)，在每個控制點(diǎn)上直接測量施加在每個控制點(diǎn)上的加速度分量，因此，可以在每個點(diǎn)上直接計算如此生成的、有關(guān)ZMP的力矩項、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項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。在主控制單元中依次求和從控制點(diǎn)收集的力矩項，從而允許直接引入平衡的更嚴(yán)格ZMP方程。此外，由于在每個控制點(diǎn)上直接測量力矩項，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變形，就可以以更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的運(yùn)動控制。
圖21示出了安裝在腿式移動機(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)的每個致動器附近的點(diǎn)被取作控制點(diǎn)，在每個控制點(diǎn)上直接測量施加在每個控制點(diǎn)上的加速度分量，因此，可以在每個點(diǎn)上直接計算如此生成的、有關(guān)ZMP的力矩項、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項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。在主控制單元中依次求和從控制點(diǎn)收集的力矩項，從而允許直接引入平衡的更嚴(yán)格ZMP方程。此外，由于在每個控制點(diǎn)上直接測量力矩項，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變形，就可以以更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的運(yùn)動控制。
圖22示出了安裝在腿式移動機(jī)器人的每個致動器的重心附近的點(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)中舉例說明的分布式反作用力傳感器系統(tǒng)可以根據(jù)來自位于每個控制點(diǎn)的加速度傳感器的信息，測量實(shí)際轉(zhuǎn)動中心。因此，與根據(jù)有關(guān)機(jī)器人的設(shè)計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，也可以動態(tài)地計算更精確的重心位置。
圖23示出了在根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制過程中所作的操作的流程。
首先，將腿式移動機(jī)器人確定為要檢驗其姿勢穩(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)中不會發(fā)生平動和轉(zhuǎn)動，因此，沒有必要求解有關(guān)任何轉(zhuǎn)動和平動的動力學(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(后面將詳細(xì)描述)。
另一方面，在沒有ZMP在支撐多邊形內(nèi)的情況下或者在環(huán)境沒有支撐作用點(diǎn)的情況下，取代ZMP方程，求解動力學(xué)方程(在步驟S53中)，以控制姿勢穩(wěn)定性。
注意，在將高優(yōu)先級統(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)定性的過程中所作的操作的流程。
首先，根據(jù)來自加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器的信息測量ZMP或測量重心(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)和每個致動器的重心附近的點(diǎn)那樣的每個控制點(diǎn)上。當(dāng)機(jī)器人在施加的外力的作用下發(fā)生變形時，有必要根據(jù)加速度傳感器所作的度量動態(tài)地測量重心。
接著，在由步驟S62到S69形成的處理回路中，根據(jù)來自配備在每個控制點(diǎn)上的傳感器的信息，直接計算每個控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項、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ZMP或重心附近的點(diǎn)上的力矩加以計算。一個接一個地加這些力矩項，以確定它們的總和。
其結(jié)果是，可以利用ZMP方程計算力矩誤差T(在步驟S70中)。
接著，隨著被識別為每個測量點(diǎn)的狀態(tài)的外力矩被取作初始值，重新計劃ZMP軌線或重心的旋轉(zhuǎn)軌線和每個點(diǎn)的軌線(在步驟S71中)。
然后，以根據(jù)重新計劃的結(jié)果將目標(biāo)值發(fā)送到致動器系統(tǒng)組來結(jié)束這個處理例程。
注意，盡管如圖24所示的過程包括計算在一系列第i控制點(diǎn)上引發(fā)的力矩的操作，計算施加在一系列第j控制點(diǎn)上的外力矩的操作和計算由于一系列第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)動力學(xué)方程的解控制機(jī)器人穩(wěn)定性的過程中所作的操作的流程。
首先，測量地板反作用力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)來自配備在每個控制點(diǎn)上的傳感器的信息，直接計算施加在每個控制點(diǎn)上的平動力、由于有關(guān)ZMP的力矩施加的平動力和外力。首先對ZMP或重心附近的點(diǎn)上的力矩加以計算。一個接一個地加這些平動力，以確定它們的總和。
其結(jié)果是，可以按照達(dá)朗伯爾原理計算未知外力F(在步驟S90中)。
接著，隨著被識別為每個測量點(diǎn)的信息量的未知外力F被取作初始值，重新計劃ZMP軌線或重心的旋轉(zhuǎn)軌線和每個點(diǎn)的軌線(在步驟S91中)。
然后，以根據(jù)重新計劃的結(jié)果將目標(biāo)值發(fā)送到致動器系統(tǒng)組來結(jié)束這個處理例程。
注意，盡管如圖25所示的過程包括計算在第i控制點(diǎn)上引發(fā)的平動力的操作、計算由于第j控制點(diǎn)上的外力矩引發(fā)的平動力的操作和計算施加在第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)來自配備在控制點(diǎn)上的傳感器的信息，直接計算每個控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項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ZMP或重心附近的點(diǎn)上的力矩加以計算。一個接一個地加這些力矩項，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)來自配備在每個控制點(diǎn)上的傳感器的信息，直接計算施加在每個控制點(diǎn)上的平動力、由于有關(guān)ZMP的力矩而施加的平動力和外力。首先對ZMP或重心附近的點(diǎn)上的力矩加以計算。一個接一個地加這些平動力，以確定它們的總和，從而允許引入有關(guān)平動和轉(zhuǎn)動的動力學(xué)方程。
正如上面參照圖20到22所述的那樣，根據(jù)本實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人包括用于姿勢控制的局部坐標(biāo)和部署在每個控制點(diǎn)上直接測量局部坐標(biāo)的加速度傳感器和角速度傳感器，以及部署在用于計算模型中的每個矢量位置上的加速度傳感器和姿勢傳感器。也就是說，機(jī)器人被構(gòu)造成直接測量引入ZMP方程(或動力學(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，針對沿著連接路線的每個控制點(diǎn)，一個接一個地加根據(jù)來自每個控制點(diǎn)上的傳感器的信息計算的力矩項和外力項。因此，可以有效地計算出力矩和外力的總和。
像前面已經(jīng)描述過的那樣，圖22示出了安裝在腿式移動機(jī)器人上的每個致動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，一個接一個地加根據(jù)控制點(diǎn)上的傳感器信息進(jìn)行的計算的結(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)的另一個例子。在如圖27所示的這個例子中，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，對于每個控制點(diǎn)，一個接一個地加根據(jù)來自每個控制點(diǎn)的傳感器信息進(jìn)行的計算的結(jié)果。當(dāng)數(shù)據(jù)返回到中央控制單元時，已經(jīng)確定出每個項的總和。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控制點(diǎn)上，另外，加速度傳感器和姿勢傳感器部署在用于計算模型中的每個矢量位置上。已經(jīng)利用加速度、角加速度和角速度傳感器安裝在質(zhì)量集中的每個致動器的重心附近的例子對此作了例示和描述。
圖28示出了含有安裝在致動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)致動器的示范性結(jié)構(gòu)。
如圖28所示的關(guān)節(jié)致動器包括由轉(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)致動器的功能結(jié)構(gòu)。如圖所示，用標(biāo)號10表示的致動器包括接口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，或者計算來自傳感器信息處理器14的傳感器信息和通過接口11將它返回給主控制器。
電機(jī)控制器13通過PWM(脈寬調(diào)制)，將電流信號供應(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)的傳感器信息。
根據(jù)本實(shí)施例，可以根據(jù)來自配備在每個控制點(diǎn)上的傳感器的傳感器信息直接計算每個控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項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。首先對來自配備在ZMP或重心附近的傳感器那樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行這種計算。類似地，可以根據(jù)來自配備在每個控制點(diǎn)上的傳感器的信息直接計算施加在每個控制點(diǎn)上的平動力、由于有關(guān)ZMP的力矩而施加的平動力和外力。首先對來自配備在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，針對沿著連接路線的每個控制點(diǎn)，一個接一個地加根據(jù)來自每個控制點(diǎn)上的傳感器的信息計算的力矩項和外力項。因此，可以有效地計算出力矩和外力的總和。
在上面參照圖28和29已經(jīng)描述過的、合并了傳感器的關(guān)節(jié)致動器中，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)供應(yīng)的和已經(jīng)經(jīng)過傳感器信號處理器14處理的傳感器信息，針對沿著連接路線的每個控制點(diǎn)，一個接一個地加力矩項和外力項。
圖30示出了在每個控制點(diǎn)上的關(guān)節(jié)致動器中完成的、有關(guān)ZMP的力矩項、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項和由于施加在控制點(diǎn)上的外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩項的依次加起來。
如圖30所示，從連接路線中的高順序(higher-order)關(guān)節(jié)致動器將降至(downto)第(i-1)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項之和、降至第(j-1)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的外力矩項之和以及降至第(k-1)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上、由于外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩項之和供應(yīng)給關(guān)節(jié)致動器。根據(jù)在關(guān)節(jié)致動器中檢測的傳感器信息，計算控制點(diǎn)上的有關(guān)ZMP的力矩項、施加在控制點(diǎn)上的外力矩項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，并且將它們加入每一個這樣的項的總和之中。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的力矩項之和、降至第j控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的外力矩項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的力矩項之和。因此，通過沿著連接路線重復(fù)地相加數(shù)據(jù)，當(dāng)計算結(jié)果到達(dá)主控制單元時，形成ZMP方程的力矩項就已經(jīng)確定下來。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)的力矩的計算、施加在一系列第j控制點(diǎn)上的外力矩的計算和在一系列第k控制點(diǎn)上、由于外力引發(fā)的、有關(guān)ZMP的力矩的計算。在舉出的例子中，并行地進(jìn)行來自第i、第j和第k控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的計算。并行地計算來自第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，但計算可能局限計算來自第i控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)，或可能跳過來自第i控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)的計算，去計算來自第(i-1)控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。
圖31示出了在每個控制點(diǎn)上的關(guān)節(jié)致動器中，施加在控制點(diǎn)上的平動力項、由于有關(guān)ZMP的力矩而施加的平動力項和外力項的依次加起來。
如圖31所示，從連接路線中的高位關(guān)節(jié)致動器將施加在降至第(i-1)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的平動力項之和、在降至第(j-1)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上由于有關(guān)ZMP的力矩引發(fā)的平動力項之和以及施加在降至第(k-1)控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的外力項之和供應(yīng)給關(guān)節(jié)致動器。根據(jù)在關(guān)節(jié)致動器中檢測的傳感器信息，計算施加在控制點(diǎn)上的平動力項、由于有關(guān)ZMP的力矩引發(fā)的平動力項和外力項，并且將它們加入每一個這樣的項的總和之中。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)致動器，作為施加在降至第i控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的平動力項之和、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)的平動力項之和以及施加在降至第k控制點(diǎn)的控制點(diǎn)上的外力項之和。因此，通過沿著連接路線重復(fù)地相加數(shù)據(jù)，當(dāng)計算結(jié)果到達(dá)主控制單元時，形成動力學(xué)方程的力矩項就已經(jīng)確定下來。這樣，可以利用動力學(xué)方程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿勢控制。
動力學(xué)方程的引入牽涉到在一系列第i控制點(diǎn)上的平動力的計算、在一系列第j控制點(diǎn)上由于外力矩引發(fā)的平動力的計算和施加在一系列第k控制點(diǎn)上的外力的計算。在舉出的例子中，并行地進(jìn)行來自第i、第j和第k控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的計算。并行地計算來自第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，但計算可能局限計算來自第i控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)，或可能跳過來自第i控制點(diǎn)系列的數(shù)據(jù)的計算，去計算來自第(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作模仿人的運(yùn)動的任何機(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設(shè)備。
換句話說，上面針對例示性工作例子對本發(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)作為姿勢穩(wěn)定性判據(jù)的ZMP，對運(yùn)動過程中機(jī)器人姿勢的穩(wěn)定化作出控制、腿式移動機(jī)器人的改進(jìn)和新穎運(yùn)動控制設(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、腿式移動機(jī)器人的極好運(yùn)動控制設(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、腿式移動機(jī)器人的極好運(yùn)動控制設(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利用根據(jù)來自配備在機(jī)器人上的各個點(diǎn)上的傳感器的測量值引入的ZMP方程識別未知外力矩和未知外力，良好地控制機(jī)器人運(yùn)動、腿式移動機(jī)器人的極好運(yùn)動控制設(shè)備和方法和極好傳感器系統(tǒng)。
在根據(jù)本發(fā)明的腿式移動機(jī)器人中，直接測量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)動控制的局部坐標(biāo)和直接測量局部坐標(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傳感器配備在用于計算模型中的每個矢量位置上，從而使直接測量引入ZMP方程(或動力學(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變形，就可以以更高靈敏度實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的運(yùn)動控制。
權(quán)利要求
1.一種包括基本單元和與基本單元連接的數(shù)個運(yùn)動單元的機(jī)器人設(shè)備，該設(shè)備包括分別配備在基本單元和至少一個運(yùn)動單元上的受控對象點(diǎn)；分別部署在受控對象點(diǎn)上的數(shù)個加速度傳感器；控制運(yùn)動單元的裝置；和利用根據(jù)來自每個加速度傳感器的加速度信息引入的預(yù)定方程，計算施加在機(jī)器人設(shè)備上的未知力矩和/或未知外力的裝置，控制裝置根據(jù)來自計算裝置的所計算的未知力矩和/或未知外力控制運(yùn)動單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人設(shè)備，其中，預(yù)定方程為ZMP方程或動力學(xué)方程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人設(shè)備，其中數(shù)個運(yùn)動單元中至少包括上、下肢和軀干；和受控對象點(diǎn)配備在至少上、下肢和軀干的每一個上。
4.一種包括基本單元和與基本單元連接的運(yùn)動單元的機(jī)器人設(shè)備，該設(shè)備包括配備在基本單元和至少一個運(yùn)動單元上的受控對象點(diǎn)；為每一個受控對象點(diǎn)設(shè)置目標(biāo)軌線的目標(biāo)軌線設(shè)置裝置；設(shè)置受控對象點(diǎn)的優(yōu)先順序的優(yōu)先順序設(shè)置裝置；和根據(jù)每個受控對象點(diǎn)的目標(biāo)優(yōu)先級生成所需整體運(yùn)動模式的整體運(yùn)動模式生成裝置，整體運(yùn)動模式生成裝置通過根據(jù)優(yōu)先順序校正所有或一部分目標(biāo)軌線，生成整體運(yùn)動模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人設(shè)備，其中，優(yōu)先級設(shè)置裝置與機(jī)器人姿勢相對應(yīng)地改變目標(biāo)軌線的優(yōu)先順序。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人設(shè)備，其中，加速度測量裝置配備在每個受控對象點(diǎn)上；整體運(yùn)動模式生成裝置通過生成機(jī)器人的ZMP或動力學(xué)方程和根據(jù)ZMP或動力學(xué)方程的解和優(yōu)先順序校正每個目標(biāo)軌線，生成整體運(yùn)動模式。
7.一種用于至少含有數(shù)條運(yùn)動腿的腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制器，該控制器包括檢測機(jī)器人上的數(shù)個點(diǎn)上的動力學(xué)狀態(tài)的狀態(tài)檢測裝置；和根據(jù)來自狀態(tài)檢測裝置的檢測結(jié)果控制機(jī)器人的運(yùn)動的運(yùn)動控制裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的運(yùn)動控制器，其中狀態(tài)檢測裝置包括測量機(jī)器人的受控對象點(diǎn)上的加速度的加速度測量裝置和測量機(jī)器人與環(huán)境相互接觸的點(diǎn)上的ZMP和力的反作用力測量裝置；和運(yùn)動控制裝置根據(jù)來自加速度和反作用力測量裝置的測量結(jié)果生成描述施加在機(jī)器人上的力矩之間的平衡關(guān)系的ZMP方程，校正機(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。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度測量裝置測量最大程度地移動質(zhì)量的、機(jī)器人上作為受控對象點(diǎn)的點(diǎn)上的加速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度測量裝置測量機(jī)器人上作為受控對象點(diǎn)的腰部上的加速度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度測量裝置測量機(jī)器人上作為受控對象點(diǎn)的每條腿的腳上的加速度。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的運(yùn)動控制器，其中，運(yùn)動控制裝置按預(yù)定優(yōu)先順序校正每個點(diǎn)的目標(biāo)軌線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的運(yùn)動控制器，其中，以質(zhì)量移動量的順序?qū)⑿Ｕ繕?biāo)軌線的優(yōu)先順序賦予每個點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的運(yùn)動控制器，其中，狀態(tài)檢測裝置包括用于姿勢控制的局部坐標(biāo)和配備在每個控制點(diǎn)上、直接測量局部坐標(biāo)的加速度傳感器和角速度傳感器和/或配備在用于計算模型中的每個矢量位置上的加速度傳感器和姿勢傳感器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器和角速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，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。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在每條連桿的重心附近。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，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。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器安裝在每條連桿的重心附近。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器和角速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
26.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
27.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
28.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
29.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器和角速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
30.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
31.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，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致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
32.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
33.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器和角速度傳感器安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
34.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，加速度傳感器安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
35.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，分布在機(jī)器人上的傳感器相互串聯(lián)，以便在每一個獨(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算的力矩項和外力項。
36.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中腿式移動機(jī)器人的、作為關(guān)節(jié)的、形成自由度的致動器包括由轉(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)個相的磁線圈形成；傳感器單元安裝在致動器單元的二維重心附近的電源中。
37.根據(jù)權(quán)利要求14所述的運(yùn)動控制器，其中，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。
38.一種用于至少含有數(shù)條運(yùn)動腿的腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制方法，該方法包括檢測機(jī)器人上的數(shù)個點(diǎn)上的動力學(xué)狀態(tài)的狀態(tài)檢測步驟；和根據(jù)來自狀態(tài)檢測步驟的檢測結(jié)果控制機(jī)器人的運(yùn)動的運(yùn)動控制步驟。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中狀態(tài)檢測步驟包括測量機(jī)器人的受控對象點(diǎn)上的加速度的加速度測量步驟和測量機(jī)器人與環(huán)境相互接觸的點(diǎn)上的ZMP和力的反作用力測量步驟；和運(yùn)動控制步驟根據(jù)來自加速度和反作用力測量步驟的測量結(jié)果生成描述施加在機(jī)器人上的力矩之間的平衡關(guān)系的ZMP方程，并且校正機(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。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，在加速度測量步驟中，測量最大程度地移動質(zhì)量的、機(jī)器人上作為受控對象點(diǎn)的點(diǎn)上的加速度。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，在加速度測量步驟中，測量機(jī)器人上作為受控對象點(diǎn)的腰部上的加速度。
42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，在加速度測量步驟中，測量機(jī)器人上作為受控對象點(diǎn)的每條腿的腳上的加速度。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，運(yùn)動控制步驟按預(yù)定優(yōu)先順序校正每個點(diǎn)的目標(biāo)軌線。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中，以質(zhì)量移動量的順序?qū)⑿Ｕ繕?biāo)軌線的優(yōu)先順序賦予每個點(diǎn)。
45.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中，在狀態(tài)檢測步驟中，從用于姿勢控制的局部坐標(biāo)和配備在每個控制點(diǎn)上、直接測量局部坐標(biāo)的加速度傳感器和角速度傳感器和/或配備在用于計算模型中的每個矢量位置上的加速度傳感器和姿勢傳感器中獲取傳感器信息。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器和角速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
49.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
50.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，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。
51.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在每條連桿的重心附近。
52.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，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。
53.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器安裝在每條連桿的重心附近。
54.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
55.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
56.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器和角速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
57.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
58.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
59.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
60.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器和角速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
61.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
62.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，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致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
63.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
64.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器和角速度傳感器安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
65.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，加速度傳感器安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
66.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，分布在機(jī)器人上的傳感器相互串聯(lián)，以便在每一個獨(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算的力矩項和外力項。
67.一種用于至少含有數(shù)條運(yùn)動腿的腿式移動機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括部署在與環(huán)境接觸的點(diǎn)上以直接測量ZMP和力的反作用力傳感器系統(tǒng)；用于運(yùn)動控制的局部坐標(biāo)和直接測量局部坐標(biāo)的加速度傳感器和角速度傳感器；和部署在用于計算模型中的每個矢量位置中的加速度傳感器和姿勢傳感器。
68.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
69.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
70.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器和角速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
71.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器安裝在機(jī)器人的質(zhì)量集中的點(diǎn)上。
72.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，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。
73.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在每條連桿的重心附近。
74.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，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。
75.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器安裝在每條連桿的重心附近。
76.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
77.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
78.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器和角速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
79.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器安裝在形成像關(guān)節(jié)一樣的自由度的每個致動器的重心附近。
80.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器、角加速度傳感器和角速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
81.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
82.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器和角速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
83.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器分別安裝在每個致動器的重心附近和連桿除了致動器之外的重心附近。
84.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，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致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
85.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器和角加速度傳感器安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
86.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器和角速度傳感器安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
87.根據(jù)權(quán)利要求67所述的傳感器系統(tǒng)，其中，加速度傳感器安裝在每個致動器的重心附近、電池的重心或連桿除了電池和致動器之外的重心附近。
88.一種包括基本單元和與基本單元連接的數(shù)個運(yùn)動構(gòu)件的移動設(shè)備，該設(shè)備包括驅(qū)動運(yùn)動部件的驅(qū)動裝置；配備在基本單元和至少一個運(yùn)動構(gòu)件上的加速度檢測裝置；和根據(jù)來自每個加速度檢測裝置的加速度信息控制驅(qū)動裝置的控制裝置。
全文摘要
機(jī)器人身體上作為控制點(diǎn)、質(zhì)量移動量最大的臀部被設(shè)置成局部坐標(biāo)原點(diǎn)，并且將加速度傳感器布置在那里，以便直接測量那個位置上的姿勢和加速度，根據(jù)ZMP進(jìn)行姿勢控制。并且，在與路面接觸的腳上，布置直接測量ZMP和力的地板反作用力傳感器和加速度傳感器，以便在與ZMP位置最接近的腳上建立ZMP方程，從而實(shí)現(xiàn)精確的高速姿勢控制。
文檔編號B62D57/00GK1649698SQ0380966
公開日2005年8月3日 申請日期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, 長阪憲一郎, 清水悟, 黑木義博 申請人:索尼株式會社, 山口仁一