專利名稱：人型連桿系統(tǒng)的運動生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有與生成人類類似的構(gòu)造的連桿系統(tǒng)(人型連桿系統(tǒng))的力學(xué)性地可實現(xiàn)的運動的方法，本發(fā)明的方法可以使用于類人機器人用運動生成軟件、類人機器人用實時控制裝置、或計算機制圖技術(shù)用動作生成軟件。
背景技術(shù)：
計算機制圖技術(shù)(CG)中的人型模型或類人機器人(人型機器人)因為具有兩腿行走那樣的極不穩(wěn)定的運動形態(tài)，其由從地板等的環(huán)境接受的借助力和自身的關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩可實現(xiàn)的運動有限制。因此，在類人機器人中，如果可以預(yù)先生成力學(xué)性地可實現(xiàn)的運動，則其實機的控制容易。而且在CG動畫片的領(lǐng)域中，通過物理性地自動生成自然的運動可以輕松地生成自然的動畫片。
例如，在類人機器人的運動生成中，如果可以保證相對于理想的模型力學(xué)性地實現(xiàn)其運動，則其控制變?nèi)菀?，因此，其?yōu)點大。但是多數(shù)的類人機器人由于具有許多的關(guān)節(jié)，操作的變速多，操作復(fù)雜，由于計算量多，具有實時處理難等的課題。
作為現(xiàn)有技術(shù)，具有為了以函數(shù)表示可以力學(xué)性地實現(xiàn)運動而調(diào)整參數(shù)的方法(參照Q.Huang，K.Kaneko，K.Yokoi，S.Kajita，and T.Kotok u“Balance Control of a Biped Robot Combining Off-linePattern with Rea l-time Modification”(由脫機生成的運動圖形和實時的圖形修正產(chǎn)生的兩腳步行機器人的平衡控制)、Proceedings ofInternation al Conference on Robotics and Automation，pp.3346-3352，2000.及K.Nishiwaki，T.Sugihara，S.Kagami，M.Inaba，and H.Inoue“Online Mixt ure and Connection of Basic Motions for HumanoidWalking Control by Foot print Specification”(通過混合基本步行圖形通過指定的著地點、且實時生成力學(xué)性地可實現(xiàn)的步行運動的方法)Proceedings of IEEE International Conference on Robities andAutomation，pp.4110-4115，2001.參照)、和以運動捕獲數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)生成可力學(xué)性地運動的方法(參照K.Yamane and Y.Nakamura“Dynamics Filter-Concept and Implementation of On-Line MotionGenerator for Human Figures”(從滿足運動方程式的運動中實時選擇與被運動捕獲的運動盡可能接近的運動來生成力學(xué)性地可實現(xiàn)的運動)，Proceedings of IEEE International Conference on Robotics andAutomation，pp.688-695，2000.及A.DasGupta and Y.Nakamura“Making Feasible Walking Motion of Humanoid Robots from HumanMotion Captured Data”(通過在被運動捕獲的步行運動上增加由傅里葉級數(shù)表示的修正項來生成力學(xué)上可實現(xiàn)的運動)，Proceedings ofInternational Conference on Robotics and Automation，pp.1044-1049，1999.)等。
但是，這些方法存在以下的問題。
(1)只能生成特定種類的運動。
(2)運動是人工性的運動。
(3)計算時間長。
(4)參數(shù)調(diào)整難。
(5)需要參照運動數(shù)據(jù)。
(6)沒有交互性。
另外，在本申請的發(fā)明者先前以發(fā)明申請2001-242435號申請的相關(guān)發(fā)明“生成木構(gòu)造連桿系統(tǒng)的姿勢及動作的方法”中雖然可以沒有參照沒有參數(shù)地生成運動，但是在該方法中完全沒有考慮力學(xué)，因此有可能生成物理上不會有的運動。
因此，本發(fā)明的目的是以來自直感上簡單的接口的輸入為基礎(chǔ)交互(雙向地)地生成多自由度的人型模型或類人機器人等的人型連桿系統(tǒng)可實現(xiàn)的運動，具體地講是提供一種通過滿足由操作者給予的(A)固定連桿的絕對位置。
(B)不脫離設(shè)定了關(guān)節(jié)值的可動區(qū)域。
(C)盡可能與設(shè)定了關(guān)節(jié)值的目標(biāo)關(guān)節(jié)值接近。等的運動學(xué)性的約束，人型連桿系統(tǒng)的被指定的一個或多個連桿由在由某個接口給予的軌道上運動、而且可以實時地生成人型連桿系統(tǒng)可力學(xué)性實現(xiàn)的全身運動的方法。在此，所謂的力學(xué)性地可實現(xiàn)指的是其運動可由關(guān)節(jié)的驅(qū)動力和從地板等的環(huán)境接受的接觸力可實行。

發(fā)明內(nèi)容
有利地實現(xiàn)上述目的的本發(fā)明的人型連桿系統(tǒng)的運動生成方法，在第一技術(shù)方案記載的方案中，在人型連桿系統(tǒng)的關(guān)節(jié)的、只從運動學(xué)性的約束條件計算的目標(biāo)關(guān)節(jié)加速度由根據(jù)逆動力學(xué)計算的外力的妥當(dāng)性判定判定為不能實現(xiàn)時，通過追加考慮了動力學(xué)的新的約束條件再計算關(guān)節(jié)加速度，生成力學(xué)性地可實現(xiàn)的運動。
在本發(fā)明的第二技術(shù)方案中，其特征在于，通過使其聯(lián)立地解使用表示作用于連桿的力和由其產(chǎn)生的加速度的關(guān)系的操作空間逆慣性矩陣定型化的動力學(xué)性的約束條件和運動學(xué)性的約束條件，生成人型連桿系統(tǒng)的關(guān)節(jié)的、力學(xué)性地可實現(xiàn)的運動。
即，本發(fā)明具有當(dāng)逐次地輸入運動學(xué)性的約束條件和一個或多個連桿的軌道時，實時地輸出具有與人類類似的關(guān)節(jié)構(gòu)成的連桿系統(tǒng)可實現(xiàn)的運動的運動生成引擎，圖1表示使用實行本發(fā)明的方法的運動生成引擎構(gòu)筑類人機器人的運動生成系統(tǒng)時的構(gòu)成例。該系統(tǒng)，除了例如由電子計算機構(gòu)成的上述運動生成引擎之外，還具有用于固定的連桿(因為抓住固定在環(huán)境上的物體而不能活動等)、關(guān)節(jié)可動區(qū)域及設(shè)定關(guān)節(jié)目標(biāo)值的接口，可以由操縱桿等指定特定的連桿的軌道。其信息輸入到運動生成引擎，被生成的運動給予機器人。另外，由安裝在機器人上的傳感器讀取的現(xiàn)在的狀態(tài)返回到運動生成引擎，用于下一步的運動生成。
上述運動生成引擎使用以下的兩個方法中的任何一個方法，生成同時滿足從外部給予的運動學(xué)性的約束和從模型的質(zhì)量特性給予的動力學(xué)性的約束的運動。
(a)根據(jù)運動力學(xué)計算的方法暫時由運動學(xué)性約束計算理想的運動，由逆動力學(xué)計算獲得的接觸力判定上述運動是否在力學(xué)上可實現(xiàn)。在不能實現(xiàn)時，為了使其可實現(xiàn)而修正運動。
(b)由操作空間逆慣性矩陣產(chǎn)生的方法由表示作用于連桿系統(tǒng)中的任意連桿上的力與由其產(chǎn)生加速度的關(guān)系的操作空間逆慣性矩陣導(dǎo)出包括作用于連桿間的力的影響在內(nèi)的約束條件，同時解開其和運動學(xué)性的約束條件來計算運動。
根據(jù)這樣的方法及運動生成系統(tǒng)，與上述的相關(guān)發(fā)明“生成木構(gòu)造連桿系統(tǒng)的姿勢及動作的方法”同樣，只給予直感地容易理解的運動學(xué)性的約束生成力學(xué)上可實現(xiàn)的運動，因此可以以單純的接口交互地獲得人型連桿系統(tǒng)的全身的運動。而且，由于使用了高速地進行動力學(xué)計算的算法，因此可以以接近于實時的速度生成人型連桿系統(tǒng)的動作。


圖1是表示使用執(zhí)行本發(fā)明的人型連桿系統(tǒng)的運動生成方法的運動生成引擎構(gòu)筑類人機器人的運動生成系統(tǒng)時的構(gòu)成例的說明圖。
圖2是表示成為在本發(fā)明的人型連桿系統(tǒng)的運動生成方法中使用的接口的基礎(chǔ)的相關(guān)發(fā)明“生成木構(gòu)造連桿系統(tǒng)的姿勢及動作的方法”的概要的說明圖。
圖3是表示在本發(fā)明的人型連桿系統(tǒng)運動生成方法中判斷壓力中心點是否在接觸區(qū)域的凸包內(nèi)的方法的說明圖。
圖4是表示在本發(fā)明的人型連桿系統(tǒng)生成方法中成為計算操作空間逆慣性矩陣的基礎(chǔ)的接觸力與連桿加速度的說明圖。
具體實施例方式
以下，根據(jù)附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。首先，表示成為在本發(fā)明的人型連桿系統(tǒng)的運動生成方法中使用的接口的基礎(chǔ)的上述相關(guān)發(fā)明“生成木構(gòu)造連桿系統(tǒng)的姿勢和動作的方法”的概要。在該方法中，如圖2所示，當(dāng)將人型連桿系統(tǒng)的若干個連桿(在圖中為連桿a、b、c)固定在空間中，同時指示另外的連桿(在圖中是d)的軌道時，生成滿足固定連桿的約束并在軌道上運動的全身運動。不僅可以給予連桿的位置，而且還可以給予關(guān)節(jié)可動區(qū)域或關(guān)節(jié)目標(biāo)值的約束。但是，在該方法中由于沒有考慮運動學(xué)性的約束條件，有時生成力學(xué)上不自然的運動。
在本發(fā)明中，在上述相關(guān)發(fā)明中使用的運動學(xué)性的約束之上，還同時考慮到了連桿的質(zhì)量及慣性矩、關(guān)節(jié)力矩、接觸力等的動力學(xué)性的約束，由此生成力學(xué)可實現(xiàn)的運動。作為計算動力學(xué)性的約束條件的方法由如下兩種[A]基于逆動力學(xué)計算的方法[B]根據(jù)操作空間逆慣性矩陣的方法以下對其分別進行詳細(xì)說明。
基于逆動力學(xué)計算的方法在該方法中，通過避開花費時間的順動力學(xué)計算，進行比較高速的逆動力學(xué)計算，從而實現(xiàn)高速的計算。其步驟如下(a)計算滿足運動學(xué)性的約束條件所需要的目標(biāo)關(guān)節(jié)加速。即，與上述的相關(guān)發(fā)明的只考慮運動學(xué)性的約束條件的方法相同，從現(xiàn)在的狀態(tài)和約束條件之差計算為了滿足約束條件各關(guān)節(jié)應(yīng)該產(chǎn)生的關(guān)節(jié)加速度。
(b)進行逆動力學(xué)計算，計算在上述(a)中計算的目標(biāo)關(guān)節(jié)速度所需要的從地板等接受到的外力。即，使用牛頓·歐拉法等的逆動力學(xué)計算法計算產(chǎn)生目標(biāo)關(guān)節(jié)速度所需要的外力。
(c)調(diào)查在上述(b)中計算的外力作為接觸力是否妥當(dāng)。成為妥當(dāng)性判定的基準(zhǔn)的是以下三點。
(1)鉛直方向的力是否成為反彈力。是因為接觸力不能向?qū)⑦B桿拉向地板的方向作用。
(2)壓力中心點是否在接觸區(qū)域的凸包內(nèi)。如圖3所示，是因為需要在兩腳F的腳心相對于地板的接觸領(lǐng)域的凸包R中包含壓力中心點P。
(3)摩擦力是否是最大靜止摩擦力以下(不打滑時)。是因為為了維持沒有打滑的狀態(tài)，摩擦力需要是在垂直反作用力上乘以靜止摩擦系數(shù)而得到的最大靜止摩擦力以下。
(d)在上述(c)中判斷為是妥當(dāng)?shù)那闆r下，將目標(biāo)關(guān)節(jié)加速度原樣不變地作為關(guān)節(jié)加速度。
(e)在上述(c)中判斷為是不妥當(dāng)時，求與其外力最接近而且妥當(dāng)?shù)耐饬Γ瑢⑼饬Τ蔀槠浔恍拚闹底鳛樾碌募s束條件進行追加，再一次進行上述步驟(a)。而且將在新的約束條件之下計算的目標(biāo)關(guān)節(jié)加速度作為關(guān)節(jié)加速度。
外力的修正如下地進行。
(1)在鉛直方向的力是牽拉方向時，將鉛直方向的力作為零。
(2)在壓力中心點處于接觸區(qū)域的凸包之外時，將接觸區(qū)域的凸包中的與被計算的壓力中心點最接近的點作為新壓力中心點。
(3)在摩擦力超過了最大靜止摩擦力時，將最大靜止摩擦力作為新的摩擦力。
當(dāng)將被修正的外力作為外1
時，關(guān)節(jié)加速度外2
應(yīng)滿足的約束條件如下式。
數(shù)1
在此，上述Mb、cb、Jcb分別表示人型連桿系統(tǒng)的慣性矩陣、速度·重力項、接觸點的坐標(biāo)變換矩陣中的與機器人的腰關(guān)節(jié)對應(yīng)的成分，Mb、cb通過反復(fù)進行逆動力學(xué)計算可以高速地進行計算。
(f)積分由上述(d)或(e)獲得的關(guān)節(jié)加速度來獲得關(guān)節(jié)角度及關(guān)節(jié)速度。
根據(jù)操作空間逆慣性矩陣的方法在該方法中，利用表示人型連桿系統(tǒng)的作用于注目的連桿上的力和其運動關(guān)系的操作空間逆慣性矩陣。該矩陣通過使用本發(fā)明人先前以專利申請2001-228804號中申請的相關(guān)發(fā)明“連桿系統(tǒng)動力學(xué)高速計算法”可以高速地進行計算。步驟如下。
(a)計算操作空間逆慣性矩陣。
所謂操作空間逆慣性矩陣如圖4所示是表示接觸力與作為其結(jié)果產(chǎn)生的連桿加速度的關(guān)系的矩陣。
即，當(dāng)將位置被約束著的連桿i的操作空間逆慣性矩陣作為外3Ai時，在考慮接觸前的加速度外4
與考慮了接觸后的加速度外5
與接觸力fc之間具有以下的關(guān)系。
數(shù)2
該矩陣可以通過使用上述的相關(guān)發(fā)明“連桿系統(tǒng)動力學(xué)高速計算法”的方法高速地進行計算。
(b)計算表示關(guān)節(jié)加速度與未考慮接觸時的約束點的加速度的關(guān)系的矩陣。
在上述(a)中使用的外4由于由關(guān)節(jié)的運動產(chǎn)生的慣性力進行變化。在此使用的矩陣Φi將此作為外4與關(guān)節(jié)加速度外2的關(guān)系如下地進行表現(xiàn)。
數(shù)3
在此，φi表示關(guān)節(jié)加速度為零時的連桿i的加速度。
(c)作為接觸點有彈簧或緩沖器計算來自地板等的接觸力。
在接觸點m處的潛入深度為dm、其速度為um時，接觸力fm如下地進行計算。
數(shù)4fm＝kSdm+kDum在此，kS、kD分別是彈簧、緩沖器的系數(shù)。當(dāng)對于全部的接觸點取fm之和時，獲得全體的接觸力fC。
(d)使用在上述(a)(b)中計算的兩個矩陣及在上述(c)中的計算的接觸力導(dǎo)出表示關(guān)節(jié)加速度與被給予了軌道的連桿及絕對位置被約束的連桿的加速度關(guān)系的式子。
即，從(a)(b)的式子消去外4進行整理時，獲得下式。
數(shù)5
該式給予連桿的加速度外5與關(guān)節(jié)加速度外2的關(guān)系。
對于位置被約束著的連桿及被給予了軌道的連桿，由于計算了用于將各連桿向目標(biāo)位置運動的目標(biāo)加速度外6
因此，將外5置換為了外6的式子成為考慮了動力學(xué)的約束條件。
(e)將在上述(d)中計算的式子及目標(biāo)關(guān)節(jié)值等的其它的運動學(xué)性的約束式作為連立方程式解，獲得關(guān)節(jié)加速度。
對于關(guān)節(jié)可動區(qū)域和目標(biāo)關(guān)節(jié)值，目標(biāo)加速度作為關(guān)節(jié)加速度的目標(biāo)值外7
給予，通過同時解該條件與(d)的約束條件，獲得滿足動力學(xué)與運動學(xué)雙方的約束條件的關(guān)節(jié)加速度。
(f)積分在上述(e)獲得的關(guān)節(jié)加速度來獲得關(guān)節(jié)角度及關(guān)節(jié)速度。
權(quán)利要求
1.一種人型連桿系統(tǒng)的運動生成方法，其特征在于，在人型連桿系統(tǒng)的關(guān)節(jié)的、只從運動學(xué)性的約束條件計算的目標(biāo)關(guān)節(jié)加速度由根據(jù)逆動力學(xué)計算的外力的妥當(dāng)性判定判定為不能實現(xiàn)時，通過追加考慮了動力學(xué)的新的約束條件再計算關(guān)節(jié)加速度，生成力學(xué)性地可實現(xiàn)的運動。
2.一種人型連桿系統(tǒng)的運動生成方法，其特征在于，通過使其聯(lián)立地解使用表示作用于連桿的力和由其產(chǎn)生的加速度的關(guān)系的操作空間逆慣性矩陣被定型化了的動力學(xué)性的約束條件和運動學(xué)性的約束條件，生成人型連桿系統(tǒng)的關(guān)節(jié)的、力學(xué)性地可實現(xiàn)的運動。
全文摘要
本發(fā)明在于以來自直感簡單的接口的輸入為基礎(chǔ)交互地生成多自由度的人型模型或類人機器人等的人型連桿系統(tǒng)可實現(xiàn)的運動。設(shè)定固定的連桿、關(guān)節(jié)可動區(qū)域及關(guān)節(jié)目標(biāo)值，當(dāng)由操縱桿等指定特定的連桿的軌道時，在人型連桿系統(tǒng)的關(guān)節(jié)的只從運動學(xué)性的約束條件計算的目標(biāo)關(guān)節(jié)加速度由根據(jù)逆動力運動學(xué)計算的外力的妥當(dāng)性判斷判斷為不可能實現(xiàn)時，通過追加考慮了動力學(xué)的新的約束條件來計算關(guān)節(jié)加速度、或通過使其聯(lián)立地解用表示作用于連桿的力與由其產(chǎn)生的加速度的關(guān)系的操作空間逆慣性矩陣被定型化了的動力學(xué)性的約束條件和運動學(xué)性的約束條件生成人型連桿系統(tǒng)的關(guān)節(jié)的在力學(xué)上可實現(xiàn)的運動。
文檔編號G06T13/40GK1487469SQ0310382
公開日2004年4月7日 申請日期2003年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月12日
發(fā)明者中村仁彥, 山根克, 丹下學(xué) 申請人:東京大學(xué)