專利名稱：有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法以及機(jī)器人裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法，該機(jī)器人有大量的關(guān)節(jié)自由度，本發(fā)明還涉及機(jī)器人裝置；尤其是，本發(fā)明涉及一種用于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法，該機(jī)器人有包括多個(gè)可活動(dòng)的腿，并有基本站立姿勢(shì)，本發(fā)明還涉及機(jī)器人裝置。
特別是，本發(fā)明涉及一種用于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法，其中，ZMP(零力矩點(diǎn))用作姿勢(shì)穩(wěn)定性確定標(biāo)準(zhǔn)，以控制軀體在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法，其中，通過(guò)在跌倒(倒下)或下落過(guò)程中對(duì)整個(gè)軀體進(jìn)行動(dòng)作控制，從而盡可能地減小否則將對(duì)該機(jī)器人產(chǎn)生的損害，且通過(guò)利用相對(duì)較低力矩的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，使得(機(jī)器人)從在地面上的姿勢(shì)例如仰臥姿勢(shì)或俯臥姿勢(shì)恢復(fù)到站立姿勢(shì)，本發(fā)明還涉及機(jī)器人裝置。
背景技術(shù)：
利用機(jī)械或磁作用而進(jìn)行類似人體動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置稱為“機(jī)器人”。據(jù)說(shuō)詞“機(jī)器人(robot)”起源于斯拉夫語(yǔ)的詞“ROBOTA”(從動(dòng)機(jī))。在日本，機(jī)器人在二十世紀(jì)六十年代末期開(kāi)始流行。不過(guò)，它們的大部分是工業(yè)機(jī)器人，例如機(jī)械手或運(yùn)輸機(jī)器人，在工廠中用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和無(wú)人化。
近年來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了關(guān)于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的研究和發(fā)展，且預(yù)計(jì)實(shí)際使用的有腿移動(dòng)式機(jī)器人在不斷增加，該有腿機(jī)器人例如寵物類型機(jī)器人，它們模仿進(jìn)行四腳行走的動(dòng)物(例如狗或貓)的身體機(jī)構(gòu)和動(dòng)作，或者稱為“類似人”或“人形”的機(jī)器人(人形機(jī)器人)，它們?cè)O(shè)計(jì)成模擬進(jìn)行兩足直立行走的動(dòng)物(例如人)的身體機(jī)構(gòu)和動(dòng)作。
對(duì)稱為類似人或人形的機(jī)器人的、雙足運(yùn)動(dòng)類型的有腿移動(dòng)式機(jī)器人進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的意義，可以從以下兩個(gè)觀點(diǎn)來(lái)領(lǐng)會(huì)。
其中一點(diǎn)是人文科學(xué)觀點(diǎn)。特別是，開(kāi)始行走的人的自然運(yùn)動(dòng)的機(jī)理可以在工程意義上通過(guò)以下方法來(lái)闡明，即制造具有類似于人體的下肢和/或上肢的結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，且該機(jī)器人的控制方法設(shè)計(jì)成模擬人類的行走動(dòng)作。預(yù)計(jì)該研究的結(jié)果可以對(duì)其它各種研究領(lǐng)域的進(jìn)步有重要影響，這些研究領(lǐng)域涉及人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，例如人體工程、康復(fù)工程或運(yùn)動(dòng)工程。
另一點(diǎn)是用于實(shí)際應(yīng)用的機(jī)器人的發(fā)展，該機(jī)器人作為人類的伙伴，支持人類的生活，也就是，該機(jī)器人在每天生活的居住環(huán)境和其它各種場(chǎng)所中支持人的活動(dòng)。上述類型的機(jī)器人需要在由各種生活環(huán)境的人進(jìn)行教導(dǎo)的同時(shí)學(xué)習(xí)適應(yīng)各種不同身份的人以及適應(yīng)環(huán)境的方法。這樣，當(dāng)機(jī)器人是“人形”機(jī)器人時(shí)，也就是當(dāng)機(jī)器人有與人相同的形狀或相同的結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮使機(jī)器人能夠在人類和機(jī)器人之間進(jìn)行有效的順暢的溝通。
例如，當(dāng)試圖實(shí)際向機(jī)器人教導(dǎo)一種穿過(guò)房間同時(shí)繞過(guò)它必須讓開(kāi)的障礙物的方法(作為教導(dǎo)目標(biāo)的機(jī)器人是雙足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，有與用戶(操作人員)類似的外形)時(shí)，用戶將更容易教導(dǎo)該機(jī)器人，且該機(jī)器人也比結(jié)構(gòu)與用戶完全不同的機(jī)器人更容易學(xué)習(xí)，這些與用戶完全不同的機(jī)器人例如履帶式機(jī)器人或四腿機(jī)器人(例如參考TAKANISHI的“Control of BipedalLocomotion Robot”，日本汽車工程師協(xié)會(huì)(Koso)的Kanto Branch，No.25，1996年，APRIL)。
對(duì)于通過(guò)雙足活動(dòng)而進(jìn)行腿的運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人的姿勢(shì)控制或穩(wěn)定行走的技術(shù)，已經(jīng)有大量的方案。這里，穩(wěn)定“行走”可以定義為“通過(guò)使用腿而在不跌倒的情況下運(yùn)行”。
為了防止機(jī)器人跌倒，機(jī)器人的姿勢(shì)穩(wěn)定控制非常重要。這是因?yàn)闄C(jī)器人的跌倒意味著將打斷正在進(jìn)行的工作，并需要大量的人工和時(shí)間來(lái)使機(jī)器人從跌倒?fàn)顟B(tài)變成豎直站立并重新開(kāi)始工作。重要的是，跌倒可能對(duì)機(jī)器人自身造成嚴(yán)重?fù)p害，或者還將損壞該跌倒的機(jī)器人所碰撞的物體。因此，在有腿移動(dòng)式機(jī)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(shì)穩(wěn)定控制被認(rèn)為是一個(gè)最重要的技術(shù)目標(biāo)。
當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，重力和慣性力以及由重力引起的力矩和由行走運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度將從機(jī)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(xué)原理，俯仰軸力矩和滾轉(zhuǎn)力矩為零處的點(diǎn)(也就是“ZMP(零力矩點(diǎn))”)在由腳底和路面的著地點(diǎn)(接觸點(diǎn))形成的支承多邊形的邊上或內(nèi)部。
涉及有腿移動(dòng)式機(jī)器人的姿勢(shì)穩(wěn)定控制以及防止在行走時(shí)跌倒的大部分方案利用ZMP作為確定行走的穩(wěn)定性的準(zhǔn)則?；赯MP準(zhǔn)則產(chǎn)生的雙足運(yùn)動(dòng)模式優(yōu)選是使腳底的著地點(diǎn)可以預(yù)先設(shè)置，且很容易考慮根據(jù)路面形狀的腳底運(yùn)動(dòng)約束條件。而且，采用ZMP作為穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則并不意味著不處理力，而是將軌跡作為動(dòng)作控制的目標(biāo)值，因此，它在技術(shù)上增加了可行性。應(yīng)當(dāng)知道，在Miomir Vukobratovi’c，“LEGGED LOCOMOTIONROBOTS”(Ichiro KATO等，“Walking Robot and Artificial Feet”，NikkanKogyo Shimbun，Ltd.)中公開(kāi)了ZMP的概念以及將該ZMP用于穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則。
一般情況下，雙足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人例如人形的機(jī)器人與四腳行走機(jī)器人相比重心位置更高，且在行走時(shí)的ZMP穩(wěn)定區(qū)域更窄。因此，由各種路面條件引起的姿勢(shì)變化問(wèn)題對(duì)于雙足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人特別重要。
已有多個(gè)方案利用ZMP作為雙足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的姿勢(shì)穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則。
例如，日本特開(kāi)平5-305579中公開(kāi)的一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人通過(guò)使ZMP為零時(shí)在地面上的點(diǎn)與目標(biāo)值重合而進(jìn)行穩(wěn)定行走。
同時(shí)，日本特開(kāi)平5-305581中公開(kāi)的另一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人設(shè)置成使ZMP位于支承多面體(多邊形)的內(nèi)部，或者在著地或離地時(shí)使ZMP位于離支承多邊形的端部有至少預(yù)定余量的位置處。這時(shí)，即使有腿移動(dòng)式機(jī)器人受到某些擾動(dòng)，它也有預(yù)定距離的ZMP余量，因此提高軀體在行走時(shí)的穩(wěn)定性。
另外，日本特開(kāi)平5-305583公開(kāi)了有腿移動(dòng)式機(jī)器人的行走速度根據(jù)ZMP目標(biāo)位置來(lái)控制。特別是，使用預(yù)先設(shè)定的行走模式數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)腿部關(guān)節(jié)，這樣，ZMP可以與目標(biāo)位置重合，且檢測(cè)軀體上部的傾斜度，并根據(jù)該檢測(cè)值改變?cè)O(shè)定行走模式數(shù)據(jù)的排出率(discharging rate)。當(dāng)機(jī)器人在未知的凹形或凸形地點(diǎn)行走并向前傾斜時(shí)，它的姿勢(shì)可以通過(guò)提高排出率而恢復(fù)。而且，因?yàn)閆MP控制為目標(biāo)位置，因此，即使在雙支承情況下改變排出率時(shí)也沒(méi)有問(wèn)題。
日本特開(kāi)平5-305585公開(kāi)了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置來(lái)控制有腿移動(dòng)式機(jī)器人的著地位置。特別是，在所述專利文獻(xiàn)中所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人檢測(cè)ZMP目標(biāo)位置和實(shí)際測(cè)量位置之間的距離，并驅(qū)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)腿部，從而可以消除該距離?；蛘哂型纫苿?dòng)式機(jī)器人檢測(cè)環(huán)繞ZMP目標(biāo)位置的力矩，并驅(qū)動(dòng)腿部，從而可以使該力矩減為零。因此，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人可以穩(wěn)定地行走。
日本特開(kāi)平5-305586公開(kāi)了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置來(lái)控制有腿移動(dòng)式機(jī)器人的傾斜姿勢(shì)。特別是，檢測(cè)環(huán)繞ZMP目標(biāo)位置的力矩，且當(dāng)出現(xiàn)力矩時(shí)驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)則的機(jī)器人的姿勢(shì)穩(wěn)定控制，基本在于試圖使力矩為零的點(diǎn)處在由腳底和路面的著地點(diǎn)形成的支承多邊形的邊上或者該多邊形內(nèi)部。
如上所述，對(duì)于有腿移動(dòng)式機(jī)器人，試圖采取引入ZMP作為姿勢(shì)穩(wěn)定準(zhǔn)則這樣的措施來(lái)防止機(jī)器人在行走過(guò)程中或者執(zhí)行其它動(dòng)作過(guò)程中跌倒。
自然，機(jī)器人的跌倒?fàn)顟B(tài)意味著將打斷正在進(jìn)行的工作，并需要大量的人工和時(shí)間來(lái)使機(jī)器人從跌倒?fàn)顟B(tài)變成豎直站立并重新開(kāi)始工作。而且，重要的是，跌倒可能對(duì)機(jī)器人自身造成嚴(yán)重?fù)p害，或者還將損壞該跌倒的機(jī)器人所碰撞的物體。
盡管可以更好地進(jìn)行姿勢(shì)穩(wěn)定控制以防止機(jī)器人跌倒，但是該機(jī)器人仍然可能由于在控制中的某些缺陷而失去姿勢(shì)的穩(wěn)定性，某些不可預(yù)測(cè)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(dá)到使該機(jī)器人不能只通過(guò)它的活動(dòng)腿來(lái)支承的程度時(shí)，也將導(dǎo)致跌倒。
特別是，對(duì)于用腿進(jìn)行雙足行走的機(jī)器人例如人形機(jī)器人，因?yàn)橹匦牡奈恢幂^高，且該機(jī)器人的豎直站立靜止?fàn)顟B(tài)本身就不穩(wěn)定，因此該機(jī)器人很可能跌倒。當(dāng)機(jī)器人跌倒時(shí)，可能對(duì)機(jī)器人自身造成嚴(yán)重?fù)p害，或者將損壞該機(jī)器人跌倒時(shí)碰撞的物品。
例如日本特開(kāi)平11-48170公開(kāi)了一種用于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的控制裝置，通過(guò)該控制裝置，當(dāng)該有腿移動(dòng)式機(jī)器人處于看起來(lái)要跌倒的位置時(shí)，將盡可能減小由于跌倒而對(duì)該機(jī)器人造成的損害，或者減小對(duì)該機(jī)器人在跌倒時(shí)可能碰撞的物品的損害。
不過(guò)，該專利文獻(xiàn)只提出控制成使機(jī)器人的重心在將跌倒時(shí)降低，但是沒(méi)有討論為了在機(jī)器人實(shí)際跌倒時(shí)使可能的損害減至最小而應(yīng)當(dāng)對(duì)整個(gè)身體(不僅包括腿部，還包括軀體和臂部)進(jìn)行操作的方式。
對(duì)于豎直站立行走類型的有腿移動(dòng)式機(jī)器人，當(dāng)考慮進(jìn)行身體運(yùn)動(dòng)例如行走時(shí)，所參考的姿勢(shì)是機(jī)器人利用兩腳豎直站立時(shí)的姿勢(shì)。例如，當(dāng)機(jī)器人在各種站立姿勢(shì)中處于最穩(wěn)定時(shí)的狀態(tài)(也就是當(dāng)不穩(wěn)定性最小時(shí)的點(diǎn))可以作為基本站立姿勢(shì)。
如上述的基本站立姿勢(shì)需要通過(guò)用于腿部等的關(guān)節(jié)軸向馬達(dá)執(zhí)行姿勢(shì)穩(wěn)定控制和控制指令來(lái)產(chǎn)生力矩。換句話說(shuō)，在無(wú)功率供給狀態(tài)下，站立姿勢(shì)不能穩(wěn)定。因此，優(yōu)選是考慮使機(jī)器人從在地面上的姿勢(shì)來(lái)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)，當(dāng)處于在地面上的姿勢(shì)時(shí)，該機(jī)器人在物理上最穩(wěn)定，在地面上的姿勢(shì)例如仰臥姿勢(shì)或俯臥姿勢(shì)。
不過(guò)，即使可以將功率供給處于如上述在地面上的姿勢(shì)的機(jī)器人，但是如果機(jī)器人不能獨(dú)立站起來(lái)，那么操作人員必須用手來(lái)提升該機(jī)器人身體，這使得操作人員不方便。
而且，當(dāng)機(jī)器人采取站立姿勢(shì)并進(jìn)行行走或者進(jìn)行其它獨(dú)立的腿操作時(shí)，它基本在不跌倒的情況下用腿來(lái)進(jìn)行運(yùn)行。不過(guò)，該機(jī)器人有時(shí)可能不幸跌倒。當(dāng)機(jī)器人在具有各種障礙物和不可預(yù)測(cè)情況的人類居住環(huán)境中工作時(shí)，必然會(huì)“跌倒”。首先，人們也可能跌倒。還有，在這種情況下，當(dāng)操作人員必須用手來(lái)提升機(jī)器人身體時(shí)將很不方便。
如果機(jī)器人在每次采取在地面上的姿勢(shì)時(shí)都不能自己站起來(lái)，那么它根本不能在無(wú)人環(huán)境中工作，且不能自己完成工作。因此，該機(jī)器人不能置于完全獨(dú)立的環(huán)境中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超級(jí)有腿移動(dòng)式機(jī)器人以及一種用于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的超級(jí)跌倒動(dòng)作(倒下動(dòng)作)控制方法，因此，通過(guò)在跌倒和跌落過(guò)程中控制整個(gè)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(duì)機(jī)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(dòng)式機(jī)器人的超級(jí)動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法以及超級(jí)機(jī)器人裝置，通過(guò)它們，機(jī)器人可以獨(dú)立地從地面上的姿勢(shì)例如仰臥姿勢(shì)或俯臥姿勢(shì)恢復(fù)到它的站立姿勢(shì)。
本發(fā)明的還一目的是提供一種用于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的超級(jí)動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法以及超級(jí)機(jī)器人裝置，通過(guò)它們，機(jī)器人可以通過(guò)具有相對(duì)較低力矩的穩(wěn)定動(dòng)作而從在地面上的姿勢(shì)例如仰臥姿勢(shì)或俯臥姿勢(shì)恢復(fù)到它的站立姿勢(shì)。
針對(duì)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(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并可在站立姿勢(shì)下進(jìn)行腿操作，其特征在于該有腿移動(dòng)式機(jī)器人有多個(gè)位置或狀態(tài)，且該動(dòng)作控制裝置或方法包括第一裝置或第一步驟，用于計(jì)算由有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體的著地點(diǎn)(與地板的接觸點(diǎn))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(jì)算支承多邊形的面積S隨每時(shí)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(shí)確定身體的動(dòng)作。
在很多有腿移動(dòng)式機(jī)器人中，ZMP用作穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則，因此，可以在特定腿操作例如行走期間保持身體的姿勢(shì)穩(wěn)定。通過(guò)本發(fā)明第一方面的、用于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置或動(dòng)作控制方法，當(dāng)機(jī)器人改變它的姿勢(shì)或狀態(tài)時(shí)，例如當(dāng)機(jī)器人處于行走或豎直站立狀態(tài)時(shí)或者當(dāng)機(jī)器人在跌倒等之后而從水平躺倒的姿勢(shì)站起來(lái)時(shí)，身體的動(dòng)作模式根據(jù)由身體的著地點(diǎn)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(shí)現(xiàn)跌倒動(dòng)作或站起來(lái)的動(dòng)作，從而能夠在降低負(fù)載的情況下更高效的執(zhí)行這些動(dòng)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(dòng)式機(jī)器人跌倒時(shí)根據(jù)由身體的著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S的時(shí)間Δt變化來(lái)尋找著地位置(部分)；目標(biāo)著地點(diǎn)(目標(biāo)接觸點(diǎn))設(shè)置裝置或目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置步驟，用于設(shè)置目標(biāo)著地點(diǎn)，由著地位置尋找裝置選擇的位置應(yīng)當(dāng)在該目標(biāo)著地點(diǎn)著地(與地板接觸)，這樣，由身體的著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S隨時(shí)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(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置裝置或在目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置步驟中設(shè)置的目標(biāo)著地點(diǎn)處。
當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人在站立姿勢(shì)執(zhí)行腿操作時(shí)，它通過(guò)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(lái)檢測(cè)施加給身體的外力。然后，有腿移動(dòng)式機(jī)器人根據(jù)這樣檢測(cè)的外力來(lái)建立ZMP平衡等式，以正常設(shè)計(jì)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(diǎn)和地板形成的支承多邊形上或內(nèi)部，從而執(zhí)行姿勢(shì)穩(wěn)定控制。
不過(guò)，當(dāng)由于施加在身體上的外力過(guò)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(shí)，有時(shí)很難或不能根據(jù)ZMP軌跡設(shè)計(jì)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(dòng)式機(jī)器人放棄身體的姿勢(shì)穩(wěn)定控制，并執(zhí)行預(yù)定的跌倒動(dòng)作，以減小跌倒在地板上時(shí)對(duì)身體的損害。
特別是，在跌倒時(shí)，有腿移動(dòng)式機(jī)器人尋找使得由身體的著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S隨時(shí)間Δt的變化ΔS/Δt最小的位置(部分)，并設(shè)置使得由身體的著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S隨時(shí)間Δt的變化ΔS/Δt最小的目標(biāo)著地點(diǎn)，然后使該位置落在地板上。然后，有腿移動(dòng)式機(jī)器人進(jìn)一步擴(kuò)大通過(guò)著地而新形成的支承多邊形。
然后，有腿移動(dòng)式機(jī)器人重復(fù)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(biāo)著地點(diǎn)位置著地的動(dòng)作以及擴(kuò)大新形成的支承多邊形的動(dòng)作，直到身體的勢(shì)能減至最小，并結(jié)束跌倒動(dòng)作。
當(dāng)支承多邊形的面積S隨時(shí)間Δt的變化ΔS/Δt最小，且落在地板上時(shí)的支承多邊形最大時(shí)，通過(guò)跌落而由地板施加的沖擊可以分散的整個(gè)身體上，從而使得對(duì)身體的損害減至最小。當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人看成連桿結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)具有關(guān)節(jié)自由度的基本平行關(guān)節(jié)軸縱向彼此連接時(shí)，通過(guò)將使得非著地(不與地板接觸)連桿的數(shù)目最大的連桿設(shè)置為目標(biāo)，可以減緩沖擊力。
而且，有腿移動(dòng)式機(jī)器人例如可以由連桿結(jié)構(gòu)形成，其中多個(gè)具有關(guān)節(jié)自由度的基本平行關(guān)節(jié)軸縱向彼此連接，且第三裝置和步驟包括用于當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人從它的跌倒?fàn)顟B(tài)返回時(shí)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(dòng)式機(jī)器人處于地板姿勢(shì)時(shí)，該著地多邊形由著地連桿(與地板接觸)形成，在有腿移動(dòng)式機(jī)器人地板姿勢(shì)中，包括位于身體重心的重心連桿的兩個(gè)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(gè)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(dá)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(jié)構(gòu)一端側(cè)、數(shù)目比第一預(yù)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(jié)構(gòu)至少包括沿身體的高度方向彼此連接的肩關(guān)節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸。也就是，有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體可以包括除了它們外的另外關(guān)節(jié)俯仰軸。而且，各關(guān)節(jié)位置可以包括環(huán)繞與俯仰軸不同的滾轉(zhuǎn)軸和左、右搖擺軸的旋轉(zhuǎn)自由度。
由落在地板上的多個(gè)身體端部形成的多邊形成為著地多邊形。同時(shí)，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(shì)，從而穩(wěn)定控制機(jī)器人的區(qū)域。
在有腿移動(dòng)式機(jī)器人的基本地板姿勢(shì)(例如仰臥姿勢(shì)或俯臥姿勢(shì))中，使肩關(guān)節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關(guān)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(shì)或行走姿勢(shì)中，使肩關(guān)節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸相互連接的所有連桿都離開(kāi)地板，并沿基本垂直方向?qū)R。
當(dāng)機(jī)器人從地板姿勢(shì)轉(zhuǎn)變成站立姿勢(shì)而站起來(lái)時(shí)，與機(jī)器人保持普通站立姿勢(shì)或執(zhí)行行走動(dòng)作的情況相比，相關(guān)關(guān)節(jié)促動(dòng)器需要更高扭矩輸出。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)利用使ZMP支承多邊形最小的姿勢(shì)來(lái)執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作，可以通過(guò)更小的驅(qū)動(dòng)扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)站起來(lái)的操作。
首先，在機(jī)器人的幾乎所有連桿都落在地板上的地板姿勢(shì)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(shí)，判斷當(dāng)在身體的一端側(cè)的至少兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板時(shí)是否可以設(shè)計(jì)ZMP。
例如，當(dāng)使軀體俯仰軸和髖關(guān)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(shí)，尋找更狹窄的支承多邊形。確定ZMP的可設(shè)計(jì)性，將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。然后，試圖使一端側(cè)的、包括肩關(guān)節(jié)俯仰軸的兩個(gè)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(shí)，在著地多邊形的一端側(cè)的兩個(gè)或更多連續(xù)連桿離開(kāi)地板，然后，該一端側(cè)的一個(gè)或多個(gè)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(jié)構(gòu)一端側(cè)的、包括肩關(guān)節(jié)的兩個(gè)或更多連桿作為與支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿離開(kāi)地板。然后，在包括肩關(guān)節(jié)的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板的狀態(tài)下，肩關(guān)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(cè)(該軀體俯仰軸側(cè)是身體重心的位置)運(yùn)動(dòng)，以形成比初始地板姿勢(shì)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(shí)，在另一端側(cè)的至少兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板，并判斷ZMP是否可設(shè)計(jì)。判斷ZMP的可設(shè)計(jì)性可以考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。
例如，當(dāng)使軀體俯仰軸和髖關(guān)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(shí)，試圖使另一端側(cè)的、包括膝關(guān)節(jié)俯仰軸的兩個(gè)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(shí)，在著地多邊形的另一端側(cè)的兩個(gè)或更多連續(xù)連桿離開(kāi)地板。然后，該另一端側(cè)的一個(gè)或多個(gè)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(guān)節(jié)的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板的狀態(tài)下，膝關(guān)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(guān)節(jié)俯仰軸側(cè)(該髖關(guān)節(jié)俯仰軸側(cè)是身體重心的位置)運(yùn)動(dòng)，以形成比初始地板姿勢(shì)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(duì)端部連桿的端部保持著地的狀態(tài)下離開(kāi)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(kāi)地板將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。
例如，判斷使軀體俯仰軸和髖關(guān)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(duì)端連桿的端部的手和腳底保持著地的狀態(tài)下離開(kāi)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(duì)端連桿的端部保持著地的狀態(tài)下離開(kāi)地板，支承多邊形的相對(duì)端連桿的端部之間的距離減小，同時(shí)ZMP保持在由著地連桿形成的支承多邊形中并在相對(duì)端連桿處，以使ZMP運(yùn)動(dòng)至連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)。這時(shí)，判斷ZMP是否能夠運(yùn)動(dòng)到另一端側(cè)將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。
例如，在作為著地多邊形的相對(duì)端連桿的端部的手和腳底保持著地狀態(tài)時(shí)，使軀體俯仰軸和髖關(guān)節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿離開(kāi)地板，且手和腳底之間的距離逐漸減小，以使ZMP朝著腳底運(yùn)動(dòng)。
然后，隨著ZMP進(jìn)入僅由數(shù)目第二預(yù)定數(shù)目少、位于連桿結(jié)構(gòu)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(shí)，數(shù)目第一預(yù)定數(shù)目多、位于連桿結(jié)構(gòu)一端側(cè)的的連桿離開(kāi)地板，以沿縱向方向擴(kuò)展著地多邊形，從而完成站起來(lái)的動(dòng)作。
例如，隨著ZMP進(jìn)入由腳底形成的著地多邊形內(nèi)，在ZMP保持處于著地多邊形中時(shí)，從肩關(guān)節(jié)俯仰軸到踝關(guān)節(jié)俯仰軸的連桿離開(kāi)地板，且這些非著地連桿沿縱向方向伸展，以完成站起來(lái)的動(dòng)作。
當(dāng)在站起來(lái)的最終階段非著地連桿沿縱向方向伸展時(shí)，保證在身體的動(dòng)作中高效地使用具有相對(duì)較大質(zhì)量操作量的膝關(guān)節(jié)俯仰軸來(lái)執(zhí)行動(dòng)作。
應(yīng)當(dāng)知道，為了形成更狹窄的著地多邊形，當(dāng)非著地連桿環(huán)繞肩關(guān)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(shí)，各臂部可以操作成滿足以下表達(dá)式。應(yīng)當(dāng)知道，上臂的長(zhǎng)度由l1表示，前臂的長(zhǎng)度由l2表示，肩滾轉(zhuǎn)角度由α表示，肘俯仰軸角度由β表示，從肩到手的長(zhǎng)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(guò)使肘俯仰軸執(zhí)行彎曲運(yùn)動(dòng)以代替使肩滾轉(zhuǎn)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(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿是否能夠離開(kāi)地板，用于產(chǎn)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(jìn)變化動(dòng)作和拖動(dòng)動(dòng)作中的一種，以形成更狹窄的著地多邊形。
當(dāng)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(jìn)變化動(dòng)作時(shí)，為了利用步進(jìn)變化動(dòng)作，手部或腳部需要離開(kāi)地板，且必須存在與支承多邊形無(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿。不過(guò)，根據(jù)身體的姿勢(shì)，有時(shí)不能執(zhí)行步進(jìn)變化動(dòng)作。這時(shí)，站起來(lái)的動(dòng)作自身將失敗。相反，當(dāng)利用手部或腳部的拖動(dòng)動(dòng)作時(shí)，可以減小站起來(lái)的動(dòng)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(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并能夠在站立姿勢(shì)下執(zhí)行腿的操作，它包括用于計(jì)算在身體跌倒的各階段向有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體施加的沖擊力矩的裝置或步驟；用于計(jì)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(jì)算由身體的著地點(diǎn)(接觸點(diǎn))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(shí)，通過(guò)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(kāi)施加給身體的沖擊力矩。這時(shí)，身體可以前后運(yùn)動(dòng)，以使它的支承面運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)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(shí)由地板施加給身體的沖擊力可以減緩。因此，當(dāng)由地板施加給身體的沖擊力在預(yù)定允許值范圍內(nèi)時(shí)，身體的跌倒動(dòng)作將通過(guò)第二著地位置尋找裝置或步驟來(lái)執(zhí)行，但是當(dāng)沖擊力超出預(yù)定允許值范圍時(shí)，身體的跌倒動(dòng)作將通過(guò)第一著地位置尋找裝置或步驟來(lái)執(zhí)行。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了用于控制關(guān)于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體的跌倒和站起來(lái)的一系列動(dòng)作的動(dòng)作控制裝置或動(dòng)作控制方法，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人避開(kāi)可運(yùn)動(dòng)的腿，并在站立姿勢(shì)下執(zhí)行腿的操作，其特征在于該有腿移動(dòng)式機(jī)器人由連桿結(jié)構(gòu)形成，其中，多個(gè)具有關(guān)節(jié)自由度的基本平行關(guān)節(jié)軸沿縱向方向彼此連接；以及該動(dòng)作控制裝置或方法包括用于當(dāng)?shù)匕遄藙?shì)時(shí)，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(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人跌倒時(shí)，包括位于身體的重心的重心連桿的兩個(gè)或更多連桿落在地板；用于將ZMP設(shè)置在使與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿數(shù)目最小時(shí)的位置的裝置或步驟，以執(zhí)行跌倒動(dòng)作；用于尋找在身體的跌倒位置中能夠離開(kāi)地板的連桿的裝置或步驟；以及用于使能夠離開(kāi)地板的所有連桿都離地的步驟，以執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作。
當(dāng)身體的重心在腰部時(shí)，ZMP可以設(shè)置在使與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿數(shù)目最小的位置處。在該跌倒和著地動(dòng)作后，能夠離開(kāi)地板的所有連桿都離開(kāi)地板，也就是下肢和軀體升高，以使身體的上部和下肢同時(shí)離開(kāi)地板。然后，腳部、手部等著地。因此，可以以更少的步驟來(lái)形成更小的著地多邊形。因此，可以以更高速度高效實(shí)現(xiàn)站起來(lái)的動(dòng)作。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種機(jī)器人裝置，該機(jī)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(cè)裝置，用于檢測(cè)當(dāng)腿部、軀體部分和/或臂部著地時(shí)由該腿部、軀體部分和/或臂部的多個(gè)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dāng)ZMP動(dòng)作控制裝置判斷ZMP能夠運(yùn)動(dòng)時(shí)使ZMP從第一支承多邊形內(nèi)運(yùn)動(dòng)至由腳底形成的著地多邊形中，并當(dāng)ZMP保持在著地多邊形中時(shí)使機(jī)器人裝置的位置從跌倒位置變化成基本姿勢(shì)。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人至少包括身體；一個(gè)或多個(gè)臂連桿，該臂連桿分別通過(guò)第一關(guān)節(jié)(肩)與身體的上部連接；第一腿連桿，該第一腿連桿通過(guò)第二關(guān)節(jié)(髖關(guān)節(jié))與身體的底部連接；第二腿連桿，該第二腿連桿通過(guò)第三關(guān)節(jié)(膝)與第一腿連桿的端部連接，該有腿移動(dòng)式機(jī)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(shí)使得沿垂直于地板的方向比第三關(guān)節(jié)更高的第二關(guān)節(jié)向上運(yùn)動(dòng)的裝置，從而減小第一支承多邊形的面積，并使ZMP運(yùn)動(dòng)至由腳部形成的著地多邊形中；以及用于當(dāng)ZMP保持在由腳部形成的著地多邊形中時(shí)使機(jī)器人裝置的身體豎直站立的裝置。
通過(guò)本發(fā)明的機(jī)器人裝置，身體能夠從跌倒位置返回站立姿勢(shì)，同時(shí)減小支承多邊形的面積。因此，用于腿部等的關(guān)節(jié)促動(dòng)器能夠通過(guò)相對(duì)較低扭矩執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作。
通過(guò)下面基于本發(fā)明實(shí)施例和附圖的說(shuō)明，可以清楚本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是表示采用了本發(fā)明的有腿移動(dòng)式機(jī)器人處于豎直站立狀態(tài)時(shí)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(dòng)式機(jī)器人處于豎直站立狀態(tài)時(shí)從斜后方看的透視圖；圖3是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人的關(guān)節(jié)自由度結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是示意表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的基本控制系統(tǒng)的視圖；圖5是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的基本狀態(tài)的視圖；圖6是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的基本仰臥姿勢(shì)的視圖；圖7是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的基本俯臥姿勢(shì)的視圖；圖8是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的基本站立姿勢(shì)的視圖；圖9是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的基本行走姿勢(shì)的視圖；圖10是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的多質(zhì)點(diǎn)近似模型的示意圖；圖11是表示腰部周圍部分的多質(zhì)點(diǎn)近似模型的放大圖；圖12是表示產(chǎn)生身體運(yùn)動(dòng)的處理步驟的流程圖，通過(guò)該處理步驟，有腿移動(dòng)式機(jī)器人100可以穩(wěn)定行走；圖13是表示當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100進(jìn)行腿操作時(shí)用于身體的動(dòng)作控制的總體處理步驟的流程圖；圖14是表示當(dāng)身體跌倒時(shí)保持支承面積的原理示意圖；圖15是表示當(dāng)身體跌落到地面上時(shí)支承多邊形變得最大的原理示意圖；圖16是表示當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100向后跌倒成仰臥姿勢(shì)時(shí)保持跌倒時(shí)的支承面積的動(dòng)作的視圖；
圖17是表示當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100向后跌倒成仰臥姿勢(shì)時(shí)保持跌倒時(shí)的支承面積的動(dòng)作的視圖；圖18是表示當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100向前跌倒成俯臥姿勢(shì)時(shí)保持跌倒時(shí)的支承面積的動(dòng)作的視圖；圖19是表示當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100向前跌倒成俯臥姿勢(shì)時(shí)保持跌倒時(shí)的支承面積的動(dòng)作的視圖；圖20是表示根據(jù)本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100因?yàn)橥炔恳馔獾那闆r而執(zhí)行跌倒動(dòng)作時(shí)的處理步驟的流程圖；圖21是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100在通過(guò)關(guān)節(jié)俯仰軸的同步配合驅(qū)動(dòng)而跌倒成仰臥姿勢(shì)時(shí)的動(dòng)作的視圖，其中，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人是作為連桿結(jié)構(gòu)的模型，它包括沿垂直方向連接的多個(gè)基本平行的軸，例如肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝關(guān)節(jié)俯仰軸14；圖22至38是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100從它的站立姿勢(shì)跌倒成仰臥姿勢(shì)的方式的側(cè)視圖；圖39至55是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100從它的站立姿勢(shì)跌倒成仰臥姿勢(shì)的方式的透視圖；圖56是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100在通過(guò)關(guān)節(jié)俯仰軸的同步配合驅(qū)動(dòng)而跌倒成俯臥姿勢(shì)時(shí)的動(dòng)作的視圖，其中，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人是作為連桿結(jié)構(gòu)的模型，它包括沿垂直方向連接的多個(gè)基本平行的軸，例如肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝關(guān)節(jié)俯仰軸14；圖57至73是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100從它的站立姿勢(shì)跌倒成俯臥姿勢(shì)的方式的側(cè)視圖；圖74至90是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100從它的站立姿勢(shì)跌倒成俯臥姿勢(shì)的方式的透視圖；圖91是表示當(dāng)本發(fā)明實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100通過(guò)肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝關(guān)節(jié)俯仰軸14的同步配合驅(qū)動(dòng)而執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作的處理步驟的流程圖；圖92是以關(guān)節(jié)連桿模型形式表示當(dāng)本發(fā)明實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100通過(guò)肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝關(guān)節(jié)俯仰軸14的同步配合驅(qū)動(dòng)而執(zhí)行從它的仰臥姿勢(shì)站起來(lái)的動(dòng)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(dòng)式機(jī)器人通過(guò)多個(gè)關(guān)節(jié)俯仰軸的同步驅(qū)動(dòng)而執(zhí)行從它的仰臥姿勢(shì)站起來(lái)的動(dòng)作的方式的視圖；圖94至111是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100從它的基本仰臥姿勢(shì)站起來(lái)的方式的側(cè)視圖；圖112至129是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100從它的基本仰臥姿勢(shì)站起來(lái)的方式的透視圖；圖130是左、右手與身體后面的地板接觸時(shí)的一系列動(dòng)作的變化視圖；圖131是左、右手與身體后面的地板接觸時(shí)的一系列動(dòng)作的變化的視圖；圖132是表示圖130和131中所示的臂的動(dòng)作的視圖；圖133是表示圖92中所示的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的視圖，但是為概括形式，其中它由連桿機(jī)構(gòu)代替；圖134是以關(guān)節(jié)連桿模型形式表示當(dāng)本發(fā)明實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100通過(guò)肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝關(guān)節(jié)俯仰軸14的同步配合驅(qū)動(dòng)而執(zhí)行從它的俯臥姿勢(shì)站起來(lái)的動(dòng)作的方式的視圖；圖135是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100從它的基本俯臥姿勢(shì)站起來(lái)的方式的側(cè)視圖；圖136至153是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100從它的基本俯臥姿勢(shì)站起來(lái)的方式的側(cè)視圖；圖154至172是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100從它的基本俯臥姿勢(shì)站起來(lái)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(dòng)作和腳步改變動(dòng)作進(jìn)行站起來(lái)的操作的流程圖；圖175至191是表示有腿移動(dòng)式機(jī)器人100利用手部和腳部的拖曳動(dòng)作和腳步改變動(dòng)作而從它的基本俯臥姿勢(shì)站起來(lái)的方式的側(cè)視圖；圖192至198是表示當(dāng)在跌倒動(dòng)作之后接著執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作時(shí)身體的一系列動(dòng)作的視圖；以及圖199是表示用于尋找當(dāng)與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿數(shù)目最大時(shí)的連桿和連桿位置的處理步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的實(shí)施例。
A.有腿移動(dòng)式機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(dòng)式機(jī)器人100表示為當(dāng)豎直站立時(shí)，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(dòng)式機(jī)器人100包括身體部分、頭部、左、右上肢部分以及用于進(jìn)行腿的運(yùn)行的左、右下肢部分?？刂撇糠?未示出)例如布置在身體部分內(nèi)，并總體控制身體的動(dòng)作。
左、右下肢部分分別包括大腿區(qū)域、膝關(guān)節(jié)、脛骨部分、踝以及腳，并通過(guò)髖關(guān)節(jié)連接在軀體部分的基本最底端。同時(shí)，左、右上肢部分分別包括上臂、肘關(guān)節(jié)和前臂，并通過(guò)肩關(guān)節(jié)與軀體部分的上部的左、右側(cè)邊緣連接。而且，頭部通過(guò)頸關(guān)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(qū)動(dòng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)促動(dòng)器，并處理來(lái)自各個(gè)傳感器(下面將介紹)和類似元件的外部輸入。控制部分可以另外包括通信界面或通信裝置，用于進(jìn)行遙控。
具有上述結(jié)構(gòu)的有腿移動(dòng)式機(jī)器人可以通過(guò)由控制部分控制的整體配合動(dòng)作來(lái)進(jìn)行雙足運(yùn)動(dòng)。如上述的雙足運(yùn)動(dòng)通常通過(guò)重復(fù)進(jìn)行分成以下動(dòng)作階段的行走循環(huán)來(lái)執(zhí)行。特別是，(1)單足支承階段，其中，有腿移動(dòng)式機(jī)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(dòng)式機(jī)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(dòng)式機(jī)器人100的行走控制通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)各下肢的目標(biāo)軌跡以及在上述各個(gè)階段校正該設(shè)計(jì)軌跡而實(shí)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(shè)計(jì)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(chǎn)生校正軌跡，這樣，在進(jìn)行校正的腿的踝和腰部之間的相對(duì)位置關(guān)系返回到設(shè)計(jì)軌跡。
為了從行走動(dòng)作的軌跡校正開(kāi)始穩(wěn)定控制身體的姿勢(shì)，通常采用使用五維多項(xiàng)式的內(nèi)插計(jì)算，這樣，位置、速度以及用于使相對(duì)于目標(biāo)ZMP(零力矩點(diǎn))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(zhǔn)則。通過(guò)ZMP的穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則基于“d′Alembert原理”，即從機(jī)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(xué)原理，俯仰軸力矩和滾轉(zhuǎn)力矩為零處的點(diǎn)(也就是“ZMP”)在由腳底和路面的著地點(diǎn)形成的支承多邊形(也就是ZMP穩(wěn)定區(qū)域)的邊上或內(nèi)部。
圖3示意表示了有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的關(guān)節(jié)自由度結(jié)構(gòu)。如圖3所示，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人100結(jié)構(gòu)有多個(gè)肢，包括上肢，該上肢包括兩個(gè)臂部和頭部；下肢，該下肢包括用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)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(guān)節(jié)(頸)有4個(gè)自由度，包括頸關(guān)節(jié)左、右搖擺軸1、第一和第二頸關(guān)節(jié)俯仰軸2A和2B、以及頸關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸3。
同時(shí)，各臂部包括作為它的自由度的肩的肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、肩關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸5、上臂左、右搖擺軸6、肘的肘關(guān)節(jié)俯仰軸7、腕的腕關(guān)節(jié)左、右搖擺軸8以及手部。該手部實(shí)際上是包括多個(gè)手指的多關(guān)節(jié)、多自由度結(jié)構(gòu)。
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(zhuǎn)軸10。
形成下肢的腿部別包括髖關(guān)節(jié)(臀部)的髖關(guān)節(jié)左、右搖擺軸11、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和髖關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸13；膝蓋的膝關(guān)節(jié)俯仰軸14；踝的踝關(guān)節(jié)俯仰軸15和踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸16；以及腳部。
應(yīng)當(dāng)知道，用于娛樂(lè)的有腿移動(dòng)式機(jī)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(dāng)然，根據(jù)設(shè)計(jì)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(guān)節(jié)的數(shù)目。
具有上述結(jié)構(gòu)的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的自由度實(shí)際上利用促動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選是，該促動(dòng)器的尺寸小且重量輕，因?yàn)樵撚型纫苿?dòng)式機(jī)器人通過(guò)除去外表的多余隆起部分而類似人類的自然形狀，并對(duì)進(jìn)行雙足運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行姿勢(shì)控制。在本實(shí)施例中包括了直接齒輪嚙合類型的小尺寸AC伺服促動(dòng)器，且在該伺服促動(dòng)器中，伺服控制系統(tǒng)形成為單個(gè)芯片，并安裝在馬達(dá)單元中(上述類型的AC伺服促動(dòng)器例如在日本特開(kāi)2000-299970中公開(kāi)，該專利已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的申請(qǐng)人)。在本實(shí)施例中，低速減速齒輪用作直接齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以獲得該類型機(jī)器人所需的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的從動(dòng)特征，對(duì)于該機(jī)器人，重要的是與人進(jìn)行身體的相互作用。
B.有腿移動(dòng)式機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4示意表示了有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。參考圖4，有腿移動(dòng)式機(jī)器人100包括機(jī)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(jìn)行合適控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械單元的配合運(yùn)動(dòng)(應(yīng)當(dāng)知道，參考符號(hào)R和L作為后綴添加，用于表示右側(cè)和左側(cè)之間的區(qū)別。這同樣用于下面的說(shuō)明書(shū)中)。
整個(gè)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的運(yùn)動(dòng)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(chǔ)器形成；以及外設(shè)電路82，該外設(shè)電路包括供電電路、用于向有腿移動(dòng)式機(jī)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(dāng)實(shí)施本發(fā)明時(shí)，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(dòng)式機(jī)器人100的外面，并通過(guò)有線或無(wú)線通訊裝置而與有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的身體連通。
圖3中所示的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的各關(guān)節(jié)自由度通過(guò)各個(gè)相應(yīng)促動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。特別是，頭部單元30中布置有頸關(guān)節(jié)左、右搖擺軸促動(dòng)器A1、第一和第二頸關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A2A和A2B以及頸關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸促動(dòng)器A3，它們分別代表頸關(guān)節(jié)左、右搖擺軸1、第一和第二頸關(guān)節(jié)俯仰軸2A和2B以及頸關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸3。
軀體部分單元40中布置有軀體俯仰軸促動(dòng)器A9和軀體滾轉(zhuǎn)軸促動(dòng)器A10，它們分別代表軀體俯仰軸9和軀體滾轉(zhuǎn)軸10。
臂部單元50R/L分別細(xì)分成上臂單元51R/L、肘關(guān)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(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A4、肩關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸促動(dòng)器A5、上臂左、右搖擺軸促動(dòng)器A6、肘關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A7和腕關(guān)節(jié)左、右搖擺軸促動(dòng)器A8，它們分別代表肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、肩關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸5、上臂左、右搖擺軸6、肘關(guān)節(jié)俯仰軸7和腕關(guān)節(jié)左、右搖擺軸促動(dòng)器8。
腿部單元60R/L分別細(xì)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(guān)節(jié)左、右搖擺軸促動(dòng)器A11、髖關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A12、髖關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸促動(dòng)器A13、膝關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A14、踝關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A15和踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸促動(dòng)器A16，它們分別代表髖關(guān)節(jié)左、右搖擺軸11、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12、髖關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸13、膝關(guān)節(jié)俯仰軸14、踝關(guān)節(jié)俯仰軸15和踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸16。
用于各關(guān)節(jié)的促動(dòng)器A1、A2、A3...可以由小尺寸AC伺服促動(dòng)器(如上述)形成，該AC伺服促動(dòng)器優(yōu)選是之間齒輪嚙合類型，且在該伺服促動(dòng)器中，伺服控制系統(tǒng)形成為單個(gè)芯片，并安裝在馬達(dá)單元中。
用于促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)控制的子控制部分35、45、55和65分別用于各機(jī)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(dòng)器95和姿勢(shì)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(zhì)量操作量)作為控制目標(biāo)點(diǎn)，并直接測(cè)量該腰部位置處的姿勢(shì)或加速度，以根據(jù)ZMP進(jìn)行姿勢(shì)穩(wěn)定控制。
同時(shí)，著地確認(rèn)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(rèn)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(cè)該腳底是否與地面接觸。同時(shí)，加速度傳感器93和94至少沿X和Y軸方向布置。通過(guò)將加速度傳感器93和94布置在左、右腳部上，可以通過(guò)最接近ZMP位置的那一個(gè)腳部直接建立ZMP等式。
當(dāng)只在具有較大質(zhì)量操作量的腰部處布置加速度傳感器時(shí)，只有腰部設(shè)置為控制目標(biāo)點(diǎn)，且各腿部的狀態(tài)必須根據(jù)控制目標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果來(lái)相對(duì)計(jì)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(yùn)動(dòng)。
(2)路面防止平動(dòng)的摩擦系數(shù)足夠高，且不允許滑動(dòng)。
相反，在本實(shí)施例中，用于直接檢測(cè)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(cè)量坐標(biāo)的局部坐標(biāo)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(yán)格的姿勢(shì)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(diǎn)上穩(wěn)定行走(運(yùn)動(dòng))，在該沙地或厚地毯上，當(dāng)力或力矩作用在路面上時(shí)該路面將運(yùn)動(dòng)，而在鋪瓷磚地點(diǎn)上可能產(chǎn)生滑動(dòng)，因?yàn)椴荒鼙ＷC防止平動(dòng)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(dòng)態(tài)校正控制目標(biāo)。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(shí)現(xiàn)總體運(yùn)動(dòng)模式，其中，有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的上肢、軀體和下肢配合驅(qū)動(dòng)。
對(duì)于機(jī)器人100的身體的總體運(yùn)動(dòng)，設(shè)置腳部運(yùn)動(dòng)、ZMP(零力矩點(diǎn))軌跡、軀體運(yùn)動(dòng)、上肢運(yùn)動(dòng)和腰部高度，并將根據(jù)設(shè)置內(nèi)容指示動(dòng)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(dòng)器A1、A2、A3...輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。這里，“ZMP”定義為在地板上的、在行走過(guò)程中地板反作用力的力矩為零的點(diǎn)，且“ZMP軌跡”的意思是ZMP運(yùn)動(dòng)的軌跡，例如在機(jī)器人的行走動(dòng)作期間。
C.有腿移動(dòng)式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)基本狀態(tài)轉(zhuǎn)變本發(fā)明的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的控制系統(tǒng)定義了多個(gè)基本姿勢(shì)。各基本姿勢(shì)的確定考慮了身體的穩(wěn)定性、能量消耗以及向下一個(gè)狀態(tài)的過(guò)渡，身體運(yùn)動(dòng)能夠通過(guò)基本姿勢(shì)之間的轉(zhuǎn)變而高效控制。
圖5表示了本發(fā)明的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的基本狀態(tài)轉(zhuǎn)變。參考圖5，對(duì)于有腿移動(dòng)式機(jī)器人，考慮到身體的穩(wěn)定性、能量消耗以及當(dāng)機(jī)器人面向上躺著、站立、準(zhǔn)備行走、就坐和面向下躺著時(shí)向下一個(gè)狀態(tài)的過(guò)渡，定義了基本仰臥姿勢(shì)、基本站立姿勢(shì)、基本行走姿勢(shì)、基本就坐姿勢(shì)和基本俯臥姿勢(shì)。
這些基本姿勢(shì)布置在身體的動(dòng)作控制程序平臺(tái)上。而且，當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人處于站立姿勢(shì)等時(shí)，它利用總體運(yùn)動(dòng)來(lái)執(zhí)行各種動(dòng)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(tái)上操作。應(yīng)用程序從外部存儲(chǔ)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(dòng)式機(jī)器人100的基本仰臥姿勢(shì)。在本實(shí)施例中，當(dāng)可以向身體供電時(shí)，有腿移動(dòng)式機(jī)器人100采取基本仰臥姿勢(shì)，并可以從它在動(dòng)力學(xué)上最穩(wěn)定的、不可能發(fā)生跌倒(跌落)等的狀態(tài)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)。而且，不僅在驅(qū)動(dòng)時(shí)，而且在系統(tǒng)操作終止時(shí)，有腿移動(dòng)式機(jī)器人也返回到該基本仰臥姿勢(shì)。這樣，因?yàn)橛型纫苿?dòng)式機(jī)器人100從在動(dòng)力學(xué)上身體最穩(wěn)定的狀態(tài)開(kāi)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(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作操作可以自己完成。
自然，當(dāng)身體跌倒時(shí)，如果通過(guò)在地板上進(jìn)行的預(yù)定動(dòng)作恢復(fù)到基本仰臥姿勢(shì)之后執(zhí)行規(guī)定的站立動(dòng)作，那么通過(guò)基本站立姿勢(shì)可以恢復(fù)在中斷操作時(shí)的初始姿勢(shì)。
而且，本發(fā)明的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100包括如圖7所示的基本俯臥姿勢(shì)，它作為在地板上的一種基本姿勢(shì)。基本俯臥姿勢(shì)是當(dāng)在動(dòng)力學(xué)上身體最穩(wěn)定時(shí)的狀態(tài)，與基本仰臥姿勢(shì)類似，并能夠在供電中斷時(shí)的無(wú)力狀態(tài)下穩(wěn)定地保持該姿勢(shì)。例如，當(dāng)在腿的操作過(guò)程中由于無(wú)意中受到的外力而使身體跌倒時(shí)，因?yàn)椴恢浪钩裳雠P姿勢(shì)還是俯臥姿勢(shì)，因此，在本實(shí)施例中，這樣定義了在地板上的兩種不同的基本姿勢(shì)。
有腿移動(dòng)式機(jī)器人100可以通過(guò)各種地板姿勢(shì)而在基本仰臥姿勢(shì)和基本俯臥姿勢(shì)之間可逆地改變它的姿勢(shì)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，有腿移動(dòng)式機(jī)器人100可以根據(jù)基本仰臥姿勢(shì)和基本俯臥姿勢(shì)而平穩(wěn)地將其姿勢(shì)改變成各種地板姿勢(shì)。
基本仰臥姿勢(shì)是在動(dòng)力學(xué)上最穩(wěn)定的基本姿勢(shì)。不過(guò)，當(dāng)考慮到腿的操作時(shí)，不能從基本仰臥姿勢(shì)開(kāi)始進(jìn)行平穩(wěn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。因此，定義了如圖8所示的基本站立姿勢(shì)。當(dāng)定義了基本站立姿勢(shì)時(shí)，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人100可以平穩(wěn)進(jìn)行后面的腿操作。
在各種站立姿勢(shì)中，基本站立姿勢(shì)是最穩(wěn)定的狀態(tài)，在該姿勢(shì)中，用于姿勢(shì)穩(wěn)定控制的計(jì)算機(jī)負(fù)載以及功率消耗將最低或最小。在該基本站立姿勢(shì)中，膝蓋伸直，以使保持豎直站立狀態(tài)的馬達(dá)力矩減至最小。有腿移動(dòng)式機(jī)器人100可以使它的姿勢(shì)平穩(wěn)地從基本站立姿勢(shì)轉(zhuǎn)變成各種站立姿勢(shì)，例如以進(jìn)行利用上肢的舞蹈動(dòng)作。
另一方面，盡管基本站立姿勢(shì)具有很好的姿勢(shì)穩(wěn)定性，但是，它并不是能夠立即進(jìn)入腿的操作例如行走操作的最佳狀態(tài)。因此，本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人定義了通過(guò)腿處于站立狀態(tài)時(shí)的另一基本姿勢(shì)，該基本行走姿勢(shì)如圖9所示。
當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人處于它的基本站立姿勢(shì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)用于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰軸12、14和15，從而使有腿移動(dòng)式機(jī)器人可以為這樣的姿勢(shì)，其中，身體的重心位置稍微降低，從而進(jìn)入基本行走姿勢(shì)。該基本行走姿勢(shì)能夠平穩(wěn)轉(zhuǎn)變成各種腿的動(dòng)作，從而開(kāi)始普通的行走動(dòng)作。不過(guò)，因?yàn)橄ドw彎曲，也需要很多用于保持該姿勢(shì)的附加力矩，因此，與基本站立姿勢(shì)相比，基本行走姿勢(shì)需要更大的功率消耗。
在基本站立姿勢(shì)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(shì)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(duì)較大，從而保證對(duì)路面和外力有很高的適應(yīng)性。
而且，在本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100中，定義了基本就坐姿勢(shì)。該基本就坐姿勢(shì)(未示出)定義為這樣的姿勢(shì)，其中，當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100坐在預(yù)定的椅子上時(shí)，用于姿勢(shì)穩(wěn)定控制的計(jì)算機(jī)負(fù)載以及功率消耗最低或最小。有腿移動(dòng)式機(jī)器人100可以從上述基本仰臥姿勢(shì)、基本俯臥姿勢(shì)和基本站立姿勢(shì)可逆地改變成基本姿勢(shì)。而且，有腿移動(dòng)式機(jī)器人100可以平穩(wěn)地將它的姿勢(shì)從基本就坐姿勢(shì)或基本站立姿勢(shì)改變成各種就坐姿勢(shì)，其中，例如它可以只利用身體的手部來(lái)執(zhí)行各種動(dòng)作。
D.有腿移動(dòng)式機(jī)器人的姿勢(shì)穩(wěn)定控制下面介紹本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100在腿操作中的姿勢(shì)穩(wěn)定控制的步驟，也就是，有腿移動(dòng)式機(jī)器人100在執(zhí)行總體配合運(yùn)動(dòng)(包括腳部、腕、軀體和下肢的運(yùn)動(dòng))時(shí)的姿勢(shì)穩(wěn)定控制的步驟。
根據(jù)本實(shí)施例的姿勢(shì)穩(wěn)定控制利用ZMP進(jìn)行姿勢(shì)穩(wěn)定控制。將ZMP用作穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則的機(jī)器人的姿勢(shì)穩(wěn)定控制在于使得力矩為零時(shí)的點(diǎn)在由腳底和路面的著地點(diǎn)形成的支承多邊形的邊上或內(nèi)部。特別是，導(dǎo)出說(shuō)明施加在機(jī)器人身體上的各個(gè)力矩的平衡關(guān)系的等式，并校正該身體的目標(biāo)軌跡，從而消除在ZMP等式上出現(xiàn)的力矩誤差。
在本實(shí)施例中，作為在機(jī)器人身體上的控制目標(biāo)點(diǎn)，質(zhì)量操作量最大的位置(部分)例如腰部設(shè)置為局部坐標(biāo)系原點(diǎn)。然后，測(cè)量元件例如加速度傳感器布置在該控制目標(biāo)點(diǎn)處，以直接測(cè)量在該位置的姿勢(shì)或加速度，從而根據(jù)ZMP進(jìn)行姿勢(shì)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(cè)量用于控制的局部坐標(biāo)系以及該局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)，且在最靠近ZMP位置的腳部直接產(chǎn)生ZMP等式。
D-1導(dǎo)出ZMP等式本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100是無(wú)限質(zhì)點(diǎn)集合體，也就是連續(xù)質(zhì)點(diǎn)集合體。不過(guò)，這里將有腿移動(dòng)式機(jī)器人100代替成由有限數(shù)目的離散質(zhì)點(diǎn)形成的近似模型，以減小穩(wěn)定處理的計(jì)算量。特別是，有如圖3所示的多個(gè)關(guān)節(jié)自由度結(jié)構(gòu)的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100在物理上代替成如圖10所示的多質(zhì)點(diǎn)近似模型，并進(jìn)行處理。所示近似模型是線性且非相互作用多質(zhì)點(diǎn)近似模型。
參考圖10，O-XYZ坐標(biāo)系表示絕對(duì)坐標(biāo)系的滾轉(zhuǎn)軸、俯仰軸和左、右搖擺軸，而O′-X′Y′Z′坐標(biāo)系表示與該機(jī)器人100一起運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的滾轉(zhuǎn)軸、俯仰軸和左、右搖擺軸。不過(guò)，圖10中的參數(shù)有下面的意思。而且，應(yīng)當(dāng)知道，具有標(biāo)記′的各參考符號(hào)表示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。
mh腰部質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量r→′h(r′hx,r′hy,r′hz):]]>在腰部質(zhì)點(diǎn)處的位置矢量mi在第i質(zhì)點(diǎn)處的質(zhì)量 在第i質(zhì)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(與機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng))O-XYZ絕對(duì)坐標(biāo)系在圖10所示的多質(zhì)點(diǎn)模型中，i是下標(biāo)，表示第i個(gè)的質(zhì)點(diǎn)；mi表示第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，而r′i表示第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置矢量(在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系上)。本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的身體的重心在腰部附近。換句話說(shuō)，腰部是質(zhì)量操作量最大的質(zhì)點(diǎn)，且在圖10中，質(zhì)量由mh表示，它的位置矢量(在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系上)由r′zmp(r′zmpx，r′zmpy，r′zmpz)表示。
世界坐標(biāo)系O-XYZ是絕對(duì)坐標(biāo)系，并為不變的。在本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)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(biāo)系的相對(duì)位置矢量rq直接由傳感器的輸出來(lái)檢測(cè)。另一方面，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，也就是身體的局部坐標(biāo)系O-X′Y′Z′與該機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng)。
多質(zhì)點(diǎn)模型是以線架模型形式表示機(jī)器人。如圖10所示，在多質(zhì)點(diǎn)模型中，兩個(gè)肩、兩個(gè)肘、兩個(gè)腕、軀體、腰部和兩個(gè)踝分別設(shè)置成質(zhì)點(diǎn)。在圖10所示的非精確多質(zhì)點(diǎn)近似模型中，力矩表達(dá)式為線性等式形式，該力矩表達(dá)式并不與俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸相互作用。多質(zhì)點(diǎn)近似模型大致可以根據(jù)以下處理步驟產(chǎn)生。
(1)確定整個(gè)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的質(zhì)量分布。
(2)設(shè)置質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)量的設(shè)置方法可以是由設(shè)計(jì)人員人工輸入和根據(jù)預(yù)定規(guī)則自動(dòng)生成。
(3)確定各區(qū)域i的重心，且對(duì)于相關(guān)質(zhì)量提供重心的位置和質(zhì)量mi。
(4)各質(zhì)點(diǎn)mi表示為中心在質(zhì)點(diǎn)位置ri且半徑與質(zhì)量成正比增加的球。
(5)將實(shí)際上有連接關(guān)系的質(zhì)點(diǎn)或球彼此連接。
應(yīng)當(dāng)知道，在圖10所示的多質(zhì)點(diǎn)模型的腰部信息中的旋轉(zhuǎn)角度(θhx，θhy，θhz)確定了有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的腰部的姿勢(shì)，也就是滾轉(zhuǎn)軸、俯仰軸和左、右搖擺軸的旋轉(zhuǎn)(應(yīng)當(dāng)知道，圖11表示了多質(zhì)點(diǎn)模型在腰部周圍的放大圖)。
身體的ZMP等式說(shuō)明了在施加給控制目標(biāo)點(diǎn)的力矩之間的平衡關(guān)系。當(dāng)身體由大量質(zhì)點(diǎn)mi表示，且它們?cè)O(shè)置為控制目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，確定施加給所有的控制目標(biāo)點(diǎn)mi的力矩的總和的表達(dá)式為ZMP等式。
下面給出在完全坐標(biāo)系(O-XYZ)中介紹的身體的ZMP等式以及在局部坐標(biāo)系(O-X′Y′Z′)中介紹的身體的ZMP等式。
在完全坐標(biāo)系中的ZMP等式 r＝r′+rq在局部坐標(biāo)系中的ZMP等式 r··=r··′+r··q]]>上述表達(dá)式說(shuō)明，由施加給質(zhì)點(diǎn)mi的加速度分量產(chǎn)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(chǎn)生的環(huán)繞ZMP的力矩(第k個(gè)外力Fk的作用點(diǎn)表示為sk)的總和彼此平衡。
ZMP平衡等式包括總力矩補(bǔ)償量，也就是力矩誤差分量T。通過(guò)將該力矩誤差抑制為零或在預(yù)定允許范圍內(nèi)，可以保持身體的姿勢(shì)穩(wěn)定性。換句話說(shuō)，姿勢(shì)穩(wěn)定控制的本質(zhì)是使用ZMP作為穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則，以校正身體運(yùn)動(dòng)(腳部的運(yùn)動(dòng)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(nèi)。
在本實(shí)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(biāo)點(diǎn)處的加速度測(cè)量值結(jié)果可以直接導(dǎo)出上述非常精確的ZMP平衡等式。因此，可以實(shí)現(xiàn)高速和更精確的姿勢(shì)穩(wěn)定控制。
D-2.整體配合型的姿勢(shì)穩(wěn)定控制圖12以流程圖的形式表示了有腿移動(dòng)式機(jī)器人100利用ZMP作為穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則來(lái)產(chǎn)生身體運(yùn)動(dòng)并由此實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走的處理步驟。不過(guò)，應(yīng)當(dāng)知道，在下面的說(shuō)明中，圖10和11中所示的線性且非相互作用多質(zhì)點(diǎn)近似模型用于說(shuō)明各關(guān)節(jié)的位置或有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的動(dòng)作。
首先進(jìn)行腳部運(yùn)動(dòng)的設(shè)置(步驟S1)。腳部運(yùn)動(dòng)是動(dòng)作數(shù)據(jù)，其中，兩個(gè)或多個(gè)身體姿勢(shì)按時(shí)間序列連接。
動(dòng)作數(shù)據(jù)例如包括表示腳部的各關(guān)節(jié)角度變化的關(guān)節(jié)空間信息以及表示關(guān)節(jié)位置的迪卡爾空間信息。動(dòng)作數(shù)據(jù)可以在控制臺(tái)屏幕上人工輸入，或者可以直接導(dǎo)入身體(直接教導(dǎo))，例如在用于動(dòng)作編輯的程序系統(tǒng)上構(gòu)成。
然后，根據(jù)這樣設(shè)置的腳部運(yùn)動(dòng)，計(jì)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(diǎn)，并基本在由腳底和地面的著地點(diǎn)形成的支承多邊形的邊上或內(nèi)部。ZMP穩(wěn)定區(qū)域是設(shè)置在支承多邊形內(nèi)部的區(qū)域，通過(guò)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(yùn)動(dòng)和ZMP穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置在腳部動(dòng)作過(guò)程中的ZMP軌跡(步驟S3)。
另一方面，對(duì)于身體的上部部分(相對(duì)于髖關(guān)節(jié)的上側(cè))，進(jìn)行分組設(shè)置，例如腰部、軀體部分、上肢和頭部(步驟S11)。
然后，對(duì)于各部分組設(shè)置合適的軌跡(步驟S12)。設(shè)置身體上部的這些合適軌跡可以在控制臺(tái)屏幕上人工輸入，或者可以直接導(dǎo)入身體(直接教導(dǎo))，例如在用于動(dòng)作編輯的程序系統(tǒng)上構(gòu)成，與腳部情況類似。
然后，進(jìn)行不同部分的分組設(shè)置的調(diào)節(jié)(重新分組)(步驟S13)，并向這些組加上優(yōu)先序號(hào)(步驟S14)。這里，優(yōu)先序號(hào)是這樣的序號(hào)，根據(jù)該序號(hào)，這些組進(jìn)行用于執(zhí)行身體的姿勢(shì)穩(wěn)定控制的算術(shù)處理操作，并且進(jìn)行分配，例如根據(jù)它們的質(zhì)量操作量。因此，產(chǎn)生了身體上部的各部分的、具有優(yōu)先序號(hào)的合適軌跡組。
而且，對(duì)于身體上部的各個(gè)部分組，計(jì)算可以用于力矩補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量(步驟S15)。
然后，根據(jù)在步驟S14中設(shè)置的優(yōu)先順序?qū)⒉糠纸M的運(yùn)動(dòng)模式代入姿勢(shì)穩(wěn)定控制，該姿勢(shì)穩(wěn)定控制基于腳部運(yùn)動(dòng)和ZMP軌跡以及身體上部的各部分組的合適軌跡組。
在姿勢(shì)穩(wěn)定處理中，起始值1代入處理變量i(步驟S20)。然后計(jì)算在設(shè)置優(yōu)先序號(hào)范圍為從1至i的部分組的目標(biāo)軌跡時(shí)在目標(biāo)ZMP上的力矩量，也就是總力矩補(bǔ)償量(步驟S21)。對(duì)于沒(méi)有計(jì)算目標(biāo)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(jì)算的、能夠用于進(jìn)行所屬部分的力矩補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量用于設(shè)置該部分的力矩補(bǔ)償量(步驟S22)，并計(jì)算該力矩補(bǔ)償量(步驟S23)。
然后，第i部分的計(jì)算力矩補(bǔ)償量用于導(dǎo)出該第i部分的ZMP等式(步驟S24)，并計(jì)算該部分的力矩補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)(步驟S25)。通過(guò)所述的一系列處理，可以獲得用于優(yōu)先序號(hào)從1至i的部分的目標(biāo)軌跡。
通過(guò)對(duì)所有的部分組進(jìn)行上述處理，將生成能夠穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)(例如行走)的總體運(yùn)動(dòng)模式。
因?yàn)榧铀俣葌鞲衅?6、93和94分別布置在腰部和左、右腳部，因此，通過(guò)利用控制目標(biāo)點(diǎn)的加速度測(cè)量結(jié)果，能夠直接和非常精確地導(dǎo)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(zhǔn)確地執(zhí)行基于ZMP穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則的姿勢(shì)穩(wěn)定控制。
E.有腿移動(dòng)式機(jī)器人的跌倒操作如前述條目D所述，本發(fā)明的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100基本根據(jù)ZMP穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則而在行走時(shí)以及在站立姿勢(shì)下利用腿進(jìn)行操作時(shí)執(zhí)行姿勢(shì)穩(wěn)定控制，減小身體跌倒情況的發(fā)生。
不過(guò)，當(dāng)不能避免跌倒時(shí)，執(zhí)行跌倒動(dòng)作(跌落動(dòng)作)，該跌倒動(dòng)作由能夠盡可能防止身體受到損害的動(dòng)作模式形成。例如，當(dāng)過(guò)大外力F或外部力矩M施加到身體上時(shí)，在上述ZMP平衡等式中的力矩誤差分量T不能通過(guò)身體運(yùn)動(dòng)來(lái)消除，且不能保持姿勢(shì)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(dòng)式機(jī)器人100的腿操作過(guò)程中身體的動(dòng)作控制的總體處理步驟。
在身體的動(dòng)作過(guò)程中，布置在左、右腳部上的著地確認(rèn)(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(jì)算腰部和下肢軌跡(步驟S31)。
例如，當(dāng)外力施加給身體時(shí)，它判斷是否可以設(shè)計(jì)下一個(gè)腰部和下肢軌跡，也就是，是否可以通過(guò)腳部的行動(dòng)設(shè)計(jì)來(lái)消除由該外力引起的力矩誤差(步驟S32)。判斷是否可以設(shè)計(jì)腰部和下肢軌跡將考慮腿部關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度、關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值；關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。自然，當(dāng)施加外力時(shí)，力矩誤差并不是在下一個(gè)步驟中通過(guò)腿的動(dòng)作來(lái)消除，而是通過(guò)幾個(gè)步驟的動(dòng)作來(lái)消除。
這時(shí)，當(dāng)可以設(shè)計(jì)腳部動(dòng)作時(shí)，連續(xù)進(jìn)行行走或某些其它腿的運(yùn)動(dòng)。
另一方面，當(dāng)因?yàn)槭┘咏o身體的外力或外力矩過(guò)大而不能設(shè)計(jì)腳部運(yùn)動(dòng)時(shí)，有腿移動(dòng)式機(jī)器人100開(kāi)始跌倒動(dòng)作(步驟S34)。
在如圖1和2所述的直立行走類型的有腿機(jī)器人中，因?yàn)橹匦牡奈恢幂^高，因此，當(dāng)該機(jī)器人無(wú)意中通過(guò)跌倒而跌落到地板上時(shí)，可能對(duì)機(jī)器人自身造成嚴(yán)重?fù)p害，或者對(duì)該機(jī)器人由于跌倒而碰撞的物品造成嚴(yán)重?fù)p害。
因此，在本實(shí)施例中，在跌倒之前，機(jī)器人的姿勢(shì)從預(yù)先設(shè)計(jì)的身體軌跡轉(zhuǎn)變成使ZMP支承多邊形最小的姿勢(shì)，以執(zhí)行預(yù)定的跌倒動(dòng)作?；旧希谝韵聝蓚€(gè)方法來(lái)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(shí)間t的變化量ΔS/Δt最小。
(2)當(dāng)身體跌倒在地板上時(shí)使支承多邊形最大。
其中，使變化量ΔS/Δt減至最小相當(dāng)于在跌倒時(shí)保持(或減小)支承面積(不過(guò)，為了減小支承面積，有時(shí)需要驅(qū)動(dòng)力)。通過(guò)在身體跌倒時(shí)保持支承面積，可以避開(kāi)施加在身體上的沖擊力矩。圖14表示了在身體跌倒時(shí)保持支承面積的原理。如圖14所示，當(dāng)支承面保持最小時(shí)，身體可以避開(kāi)沖擊力矩，與球滾動(dòng)時(shí)的方式相同。如圖14所示，即使當(dāng)支承面運(yùn)動(dòng)時(shí)，也可以獲得類似的效果。例如，當(dāng)對(duì)身體落在地板上(與地板接觸)時(shí)由地板作用在身體上的沖擊力進(jìn)行確定，且該確定的沖擊力超過(guò)允許范圍時(shí)，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(zhuǎn)。
同時(shí)，當(dāng)身體跌倒在地板上時(shí)使支承多邊形保持最大相當(dāng)于通過(guò)利用較大支承多邊形接受沖擊力來(lái)緩沖該沖擊力，如圖15所示。例如，當(dāng)對(duì)身體落在地板上時(shí)由地板作用在身體上的沖擊力進(jìn)行確定，且該確定的沖擊力在允許范圍內(nèi)時(shí)，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(zhuǎn)。
圖16和17表示了當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100向后朝著仰臥姿勢(shì)跌倒時(shí)用于使支承多邊形變化量ΔS/Δt減至最小的動(dòng)作，也就是用于在跌倒時(shí)保持支承面積的動(dòng)作的實(shí)例。該動(dòng)作與柔道或其它搏擊運(yùn)動(dòng)中的ukemi類似，并能夠合適地避開(kāi)在跌倒時(shí)的沖擊力矩。通過(guò)使腳部離開(kāi)地板而使支承多邊形的變化量ΔS/Δt最小，如圖17所示。當(dāng)身體的重心處于腰部時(shí)，ZMP可以設(shè)置為在與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿數(shù)目最大時(shí)的位置。在上述跌倒和著地動(dòng)作之后，所有這些可以離開(kāi)地板的連桿都離開(kāi)地板。特別是，在所示實(shí)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(shí)離開(kāi)地板，而腳部、手部等在地板上。因此，通過(guò)相對(duì)較少數(shù)目的步驟就可以形成相對(duì)較小的著地多邊形(接觸多邊形)。因此，可以高速實(shí)現(xiàn)高效的站立操作。
圖18和19分別表示了從側(cè)面看和從右前方看的、當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100向前朝著俯臥姿勢(shì)跌倒時(shí)使支承多邊形變化量ΔS/Δt減至最小，也就是在跌倒時(shí)保持支承面積的實(shí)例。該動(dòng)作與體操等的前滾翻動(dòng)作類似，并能夠合適地避開(kāi)在跌倒時(shí)的沖擊力矩。通過(guò)使腳部離開(kāi)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(guò)采用上述跌倒方法，當(dāng)身體跌落到地板上時(shí)由地板作用在身體上的沖擊力可以分散到整個(gè)身體，從而使損害減至最小。
圖20以流程圖的形式表示了當(dāng)本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100因?yàn)椴荒茉O(shè)計(jì)腳部運(yùn)動(dòng)而執(zhí)行跌倒操作時(shí)的處理步驟。根據(jù)上述基本方法，跌倒操作通過(guò)同步配合驅(qū)動(dòng)沿高度方向連接的肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14來(lái)實(shí)現(xiàn)。該處理步驟實(shí)際上通過(guò)由主控制部分81執(zhí)行預(yù)定身體動(dòng)作控制程序來(lái)控制部件的驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)。
首先，尋找使身體的支承多邊形的面積S隨時(shí)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(biāo)著地點(diǎn)(目標(biāo)接觸點(diǎn))。當(dāng)身體相當(dāng)于地板的支承面積保持最小時(shí)，可以避開(kāi)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(guān)節(jié)的活動(dòng)角度、關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)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(biāo)著地點(diǎn)處著地(步驟S43)。
當(dāng)判斷不能使在前面步驟中選定的連桿在目標(biāo)著地點(diǎn)處著地時(shí)，時(shí)間的變化量Δt增加預(yù)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(shè)置該連桿的目標(biāo)著地點(diǎn)。
另一方面，當(dāng)可以在前面步驟中選定的連桿可以在目標(biāo)著地點(diǎn)處著地時(shí)，使選定連桿在目標(biāo)著地點(diǎn)著地(步驟S45)。
然后，判斷身體的勢(shì)能是否減至最小，也就是，跌倒動(dòng)作是否完成(步驟S46)。
當(dāng)身體的勢(shì)能還沒(méi)有減至最小時(shí)，時(shí)間的變化量Δt再增加預(yù)定值(步驟S47)，且下一個(gè)目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置成使支承多邊形可以擴(kuò)大(步驟S48)。當(dāng)支承多邊形擴(kuò)大時(shí)，可以減小通過(guò)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(guān)節(jié)的活動(dòng)角度、關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)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(biāo)著地點(diǎn)處著地(步驟S49)。
當(dāng)判斷不能使在前面步驟中選定的連桿在目標(biāo)著地點(diǎn)處著地時(shí)，處理返回步驟S41，以重新選擇連桿和重新設(shè)置該連桿的目標(biāo)著地點(diǎn)。
另一方面，當(dāng)可以在前面步驟中選定的連桿可以在目標(biāo)著地點(diǎn)處著地時(shí)，處理前進(jìn)到步驟S45，在該步驟中，使選定連桿在目標(biāo)著地點(diǎn)著地(步驟S45)。
然后，當(dāng)身體的勢(shì)能最小時(shí)(步驟S46)，因?yàn)樯眢w的在地板上的著地已經(jīng)完成，因此結(jié)束整個(gè)處理程序。
下面參考實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作來(lái)介紹有腿移動(dòng)式機(jī)器人100的跌倒操作。
圖21表示了有腿移動(dòng)式機(jī)器人100通過(guò)關(guān)節(jié)俯仰軸的同步配合驅(qū)動(dòng)而朝著仰臥姿勢(shì)跌倒時(shí)的動(dòng)作，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人100模擬成連桿結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)沿高度方向彼此連接的基本平行關(guān)節(jié)軸，例如肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14?；旧峡梢哉f(shuō)，通過(guò)將目標(biāo)設(shè)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(shí)的位置，可以減小由地板作用在身體上的沖擊力。
假定機(jī)器人只通過(guò)腳底站立，該腳底是連桿結(jié)構(gòu)的連桿端頭(圖21的(1))。
這時(shí)，假定因?yàn)槭┘油饬蛲饬?，ZMP配合等式的力矩誤差項(xiàng)T不再能消除，且ZMP離開(kāi)只是由腳底形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域。然后，因此開(kāi)始跌倒動(dòng)作，從而使ZMP保持在支承多邊形內(nèi)。
在跌倒動(dòng)作中，尋找使身體的支承多邊形的面積S隨時(shí)間的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找手的目標(biāo)著地點(diǎn)，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(guān)節(jié)的活動(dòng)角度、關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等)下，使選定的連桿在目標(biāo)著地點(diǎn)處著地。
當(dāng)能夠通過(guò)身體的硬件進(jìn)行著地時(shí)，除了已經(jīng)著地的腳底連桿外還使另一連桿著地。然后，ZMP運(yùn)動(dòng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)，以將支承多邊形擴(kuò)大到身體的硬件允許的程度(圖21的(3))。
然后，當(dāng)由于身體的硬件限制例如關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度、關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等而不能再使著地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，判斷是否能夠使置于著地連桿之間的非著地連桿著地。
當(dāng)從身體硬件的觀點(diǎn)看能夠使在著地連桿之間的非著地連桿著地時(shí)，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(diǎn)運(yùn)動(dòng)，以擴(kuò)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(gè)基本平行的關(guān)節(jié)軸形成的連桿結(jié)構(gòu)的一端側(cè)的一個(gè)或多個(gè)連桿，以及在該連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板，同時(shí)位于它們中間的一個(gè)或多個(gè)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?shì)，同時(shí)使ZMP保持在支承多邊形內(nèi)。當(dāng)身體的勢(shì)能在該姿勢(shì)下最小時(shí)，跌倒動(dòng)作完成。
圖22至38以及圖39至55表示了實(shí)際機(jī)器從站立姿勢(shì)跌倒成仰臥姿勢(shì)的方式。
在這個(gè)例子中，包括髖關(guān)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(shí)間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找目標(biāo)著地點(diǎn)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(shì)，其中，膝關(guān)節(jié)折疊，使著地時(shí)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(guān)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(shí)間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找選定連桿的目標(biāo)著地點(diǎn)和使身體更深地向后跌落。這時(shí)，因?yàn)轶y關(guān)節(jié)俯仰軸12已經(jīng)著地，包括身體俯仰軸9和肩關(guān)節(jié)俯仰軸4的身體連桿繞髖關(guān)節(jié)俯仰軸12樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并落在地板上(參考圖32至33和49至50)。
然后，由頸關(guān)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(shí)間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找選定連桿的目標(biāo)著地點(diǎn)和使身體更深地向后跌落。這時(shí)，因?yàn)轭i關(guān)節(jié)俯仰軸2已經(jīng)著地，頭部繞頸關(guān)節(jié)俯仰軸2樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并落在地板上(參考圖34至38和51至55)。因?yàn)樯眢w在勢(shì)能該姿勢(shì)時(shí)最小，因此跌倒動(dòng)作完成。
圖56表示了表示了有腿移動(dòng)式機(jī)器人100通過(guò)關(guān)節(jié)俯仰軸的同步配合驅(qū)動(dòng)而朝著俯臥姿勢(shì)跌倒時(shí)的動(dòng)作，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人100模擬成連桿結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)沿高度方向彼此連接的基本平行關(guān)節(jié)軸，例如肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14。實(shí)際上，通過(guò)將目標(biāo)設(shè)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(shí)的位置，可以減小由地板作用在身體上的沖擊力。
假定機(jī)器人只通過(guò)腳底站立，該腳底是連桿結(jié)構(gòu)的連桿端頭(圖56的(1))。
這時(shí)，假定因?yàn)槭┘油饬蛲饬兀琙MP配合等式的力矩誤差項(xiàng)T不再能消除，且ZMP離開(kāi)只是由腳底形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域。然后，因此開(kāi)始跌倒動(dòng)作，從而使ZMP保持在支承多邊形內(nèi)。
在跌倒動(dòng)作中，尋找使身體的支承多邊形的面積S隨時(shí)間的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找手的目標(biāo)著地點(diǎn)，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(guān)節(jié)的活動(dòng)角度、關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等)下使選定的連桿在目標(biāo)著地點(diǎn)處著地當(dāng)能夠通過(guò)身體的硬件進(jìn)行著地時(shí)，除了已經(jīng)著地的腳底連桿外還使另一連桿著地。然后，ZMP運(yùn)動(dòng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將支承多邊形擴(kuò)大到身體的硬件允許的程度(圖56的(3))。
然后，當(dāng)由于身體的硬件限制例如關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度、關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等而不能再使著地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，判斷是否能夠使夾在著地連桿之間的非著地連桿著地。
當(dāng)從身體硬件的觀點(diǎn)看能夠使在著地連桿之間的非著地連桿著地時(shí)，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(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將支承多邊形擴(kuò)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(gè)基本平行的關(guān)節(jié)軸形成的連桿結(jié)構(gòu)的一端側(cè)的一個(gè)或多個(gè)連桿，以及在該連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板，同時(shí)位于它們中間的一個(gè)或多個(gè)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(shì)，同時(shí)使ZMP保持在支承多邊形內(nèi)。當(dāng)身體的勢(shì)能在該姿勢(shì)下最小時(shí)，跌倒動(dòng)作完成。
圖57至73以及圖74至90表示了實(shí)際機(jī)器從站立姿勢(shì)跌倒成俯臥姿勢(shì)的方式。
在這個(gè)例子中，包括肩關(guān)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(shí)間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找目標(biāo)著地點(diǎn)和使身體向前跌落(參考圖57至70和74至87)。
這時(shí)，身體采取這樣的姿勢(shì)，其中，膝關(guān)節(jié)折疊，使著地時(shí)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(shè)置在靠近腳底的位置。
然后，包括膝關(guān)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(shí)間t的變化量ΔS/Δt最小的連桿，并尋找選定連桿的目標(biāo)著地點(diǎn)和使身體更深地向前跌落。這時(shí)，因?yàn)槟_部已經(jīng)著地，腿部繞踝關(guān)節(jié)俯仰軸樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(diǎn)(接觸點(diǎn))的手和膝蓋運(yùn)動(dòng)，以離開(kāi)腳底，從而使支承多邊形擴(kuò)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?yàn)樯眢w勢(shì)能在該姿勢(shì)時(shí)最小，因此跌倒動(dòng)作完成。
F.從地板姿勢(shì)站起來(lái)的操作為了從地板姿勢(shì)例如仰臥姿勢(shì)或俯臥姿勢(shì)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者為了使有腿移動(dòng)式機(jī)器人跌倒時(shí)能夠自己站起來(lái)并重新工作，需要使有腿移動(dòng)式機(jī)器人100能夠?qū)崿F(xiàn)站起來(lái)的操作。
不過(guò)，當(dāng)有腿移動(dòng)式機(jī)器人100試圖沿未設(shè)計(jì)的軌跡站起來(lái)時(shí)，將施加過(guò)高的外力矩，且關(guān)節(jié)促動(dòng)器需要較高的輸出力矩。因此，需要更大尺寸的馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)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(lái)的動(dòng)作更困難?；蛘撸€可能因?yàn)樵谡酒饋?lái)的動(dòng)作處理中產(chǎn)生的外力矩而出現(xiàn)不能穩(wěn)定地保持姿勢(shì)的情況，或者不能自己站起來(lái)。
因此，在本實(shí)施例中，有腿移動(dòng)式機(jī)器人100執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作，該站起來(lái)的動(dòng)作由使得外力矩最小的動(dòng)作模式形成。這可以通過(guò)按時(shí)間序列組合使ZMP支承多邊形最小的各姿勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
而且，本發(fā)明的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100為連桿結(jié)構(gòu)，其中，多個(gè)俯仰軸沿高度方向彼此串聯(lián)連接(當(dāng)從側(cè)向看時(shí))，例如肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14(參考圖3)。因此，多個(gè)關(guān)節(jié)俯仰軸4至14以預(yù)定順序同步配合驅(qū)動(dòng)，以根據(jù)使ZMP支承多邊形最小的動(dòng)作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)站起來(lái)的動(dòng)作。
F-1.從基本仰臥姿勢(shì)站起來(lái)的操作圖91以流程圖的形式表示了當(dāng)本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100通過(guò)同步配合驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14來(lái)執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作時(shí)的處理步驟。上述處理步驟通過(guò)由主控制部分81執(zhí)行預(yù)定身體動(dòng)作控制程序來(lái)控制部件的驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)。
同時(shí)，圖92以關(guān)節(jié)連桿模型形式表示了本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100通過(guò)同步配合驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14來(lái)執(zhí)行從仰臥姿勢(shì)站起來(lái)的動(dòng)作時(shí)的方式。應(yīng)當(dāng)知道，盡管本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)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(dòng)式機(jī)器人執(zhí)行從仰臥姿勢(shì)站起來(lái)的動(dòng)作的方式。不過(guò)，應(yīng)當(dāng)知道，整個(gè)身體的重心的位置設(shè)置在圖93所示的連桿結(jié)構(gòu)中使軀體關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)相互連接的連桿上，在下文中該連桿稱為“重心連桿”。應(yīng)當(dāng)知道，盡管“重心連桿”在狹義上為上述定義，但是在廣義時(shí)，它可以為整個(gè)身體的重心位置在它上面的任意連桿。例如，當(dāng)身體不包括軀體軸時(shí)，包括軀體的端部等的連桿對(duì)應(yīng)于前述連桿，整個(gè)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(shì)站起來(lái)的操作。
首先，當(dāng)身體處于地板姿勢(shì)時(shí)，尋找使勢(shì)能最小的姿勢(shì)(步驟S51)。該姿勢(shì)對(duì)應(yīng)于基本仰臥姿勢(shì)，在該姿勢(shì)中，使得用于站起來(lái)的動(dòng)作的肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)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(shí)，實(shí)際機(jī)器的狀態(tài)如圖94和112所示。因?yàn)椴扇∈箘?shì)能最低的姿勢(shì)，因此可以測(cè)量路面的斜度或形狀，并確認(rèn)是否能夠執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作。
當(dāng)身體處于基本仰臥姿勢(shì)時(shí)，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(shí)，判斷是否可以設(shè)計(jì)當(dāng)身體的一端側(cè)的至少兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板時(shí)的ZMP軌跡。判斷ZMP的可設(shè)計(jì)性可以考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)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(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板(步驟S53)步驟S53與圖92的(2)和圖93的(2)相對(duì)應(yīng)。在實(shí)際機(jī)器中，包括使軀體關(guān)節(jié)和髖關(guān)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(guān)節(jié)至軀體部件的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板，成為與支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿。
這時(shí)，實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作如圖95至96和113至114所示。在所示實(shí)例中，左、右臂部升高，然后驅(qū)動(dòng)軀體關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A3，以使身體的上部坐起來(lái)。因?yàn)楸鄄款A(yù)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(cè)的一個(gè)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(duì)應(yīng)。在實(shí)際機(jī)器中，盡管包括肩關(guān)節(jié)的兩個(gè)或更多連桿離地，但是它們環(huán)繞肩關(guān)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(yùn)動(dòng)，以形成比在地面上的初始姿勢(shì)更窄的著地多邊形。
這時(shí)，實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作如圖97至101和115至119所示。在所示實(shí)例中，首先通過(guò)驅(qū)動(dòng)左、右肩關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)軸A5而使左、右臂部橫向升高，然后再通過(guò)驅(qū)動(dòng)上部左、右搖擺軸A6而使臂部的方向轉(zhuǎn)180度(圖98至99和116至117)。然后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)俯仰軸A4而使臂部逐漸降低。然后，手進(jìn)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(shè)置在著地多邊形中(步驟S55)。該判斷將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。然后，ZMP運(yùn)動(dòng)到著地多邊形內(nèi)，以形成新的支承多邊形(步驟S56)。
這時(shí)，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(guān)節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開(kāi)地板，或者ZMP是否能夠運(yùn)動(dòng)到只由腳部形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域中，這將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。下面將說(shuō)明判斷支承多邊形是否充分狹窄的詳細(xì)步驟。
根據(jù)圖101和119中所示的實(shí)際機(jī)器的姿勢(shì)，認(rèn)為支承多邊形并不充分狹窄。因此，在移動(dòng)著地點(diǎn)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(shì)中的著地連桿形成的、最狹窄的一個(gè)著地多邊形(步驟S53)。下面判斷能否設(shè)計(jì)當(dāng)身體另一端側(cè)的至少兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板時(shí)的ZMP。ZMP的可設(shè)計(jì)性判斷將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)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(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板(步驟S53)。這對(duì)應(yīng)于圖92中的(4)至(5)和圖93中的(4)至(5)。在實(shí)際機(jī)器中，包括膝關(guān)節(jié)俯仰軸的、另一端側(cè)處的兩個(gè)或更多連桿離地，成為與支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿。
然后，一端側(cè)的一個(gè)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(shí)，實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作在圖102至105和120至123中表示。在所示實(shí)例中，首先通過(guò)驅(qū)動(dòng)用于右腿的髖關(guān)節(jié)俯仰軸驅(qū)動(dòng)器A12而升高右腿，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)促動(dòng)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(guò)驅(qū)動(dòng)用于左腿的髖關(guān)節(jié)俯仰軸驅(qū)動(dòng)器A12而升高左腿，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)促動(dòng)器A14而使左腿彎曲，從而使該腿的腳底落在地板上。通過(guò)逐漸使腳底接近髖關(guān)節(jié)俯仰軸12側(cè)(該髖關(guān)節(jié)俯仰軸側(cè)是身體重心的位置)，可以形成比初始著地姿勢(shì)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(shè)置在著地多邊形中(步驟S55)。該判斷的進(jìn)行將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、加速度、角加速度等。然后，ZMP運(yùn)動(dòng)到著地多邊形內(nèi)，以形成新的支承多邊形(步驟S56)。
這時(shí)，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(guān)節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開(kāi)地板，或者ZMP是否能夠運(yùn)動(dòng)到只由腳部形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域中，這將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。在圖105和123所示的實(shí)際機(jī)器的姿勢(shì)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(shí)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(yù)定角度內(nèi)。
然后，隨著身體的支承多邊形變得充分狹窄，當(dāng)支承多邊形的相對(duì)端連桿的端部保持著地時(shí)，重心連桿離開(kāi)地板，且當(dāng)ZMP保持在由相對(duì)端連桿的著地連桿形成的支承多邊形內(nèi)時(shí)，形成支承多邊形的相對(duì)端連桿的端部之間的距離減小，以使ZMP朝著連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)運(yùn)動(dòng)(步驟S58)。這對(duì)應(yīng)于圖92的(6)至(7)以及圖93的(6)至(7)。
在實(shí)際機(jī)器中，使軀體俯仰軸和髖關(guān)節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿離開(kāi)地板，而作為著地多邊形的相對(duì)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(yùn)動(dòng)。這時(shí)實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作在圖106至109以及圖124至127中表示。
然后，隨著ZMP進(jìn)入僅由數(shù)目比第二預(yù)定數(shù)目少、位于連桿結(jié)構(gòu)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(shí)，數(shù)目比第一預(yù)定數(shù)目多、位于連桿結(jié)構(gòu)一端側(cè)的連桿離開(kāi)地板，然后，它們沿縱向方向伸展，以完成站起來(lái)的動(dòng)作(步驟S59)。這與圖92的(8)以及圖93的(8)相對(duì)應(yīng)。
在實(shí)際機(jī)器中，隨著ZMP進(jìn)入由腳底形成的著地多邊形內(nèi)，在ZMP保持處于著地多邊形中時(shí)，從肩關(guān)節(jié)俯仰軸4到踝關(guān)節(jié)俯仰軸14的連桿離開(kāi)地板，且它們沿縱向方向伸展，以完成站起來(lái)的動(dòng)作。這時(shí)實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作在圖110至111和128至129中表示。
當(dāng)在站起來(lái)的最終階段非著地連桿沿縱向方向伸展時(shí)，保證在身體的動(dòng)作中高效地使用具有相對(duì)較大質(zhì)量操作量的膝關(guān)節(jié)俯仰軸來(lái)執(zhí)行動(dòng)作。
應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)在步驟S53中與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿不能離開(kāi)地板時(shí)，將試圖使位于最大支承多邊形內(nèi)部的兩個(gè)或更多著地連桿離地(步驟S61)。
當(dāng)不能執(zhí)行步驟S61中的處理時(shí)，站起來(lái)的動(dòng)作結(jié)束(步驟S64)。另一方面，當(dāng)可以成功執(zhí)行步驟S61中的處理時(shí)，著地點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，以進(jìn)一步減小支承多邊形(步驟S62)。
當(dāng)不能執(zhí)行步驟S62中的處理時(shí)，站起來(lái)的操作停止(步驟S64)。當(dāng)可以成功執(zhí)行步驟S62中的處理時(shí)，檢查ZMP能否運(yùn)動(dòng)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(xì)步驟。當(dāng)ZMP不能運(yùn)動(dòng)到穩(wěn)定區(qū)域中時(shí)，處理返回步驟S61，以重復(fù)執(zhí)行類似處理，從而減小支承多邊形。另一方面，當(dāng)ZMP能夠運(yùn)動(dòng)到穩(wěn)定區(qū)域中時(shí)，處理前進(jìn)到步驟S58，以執(zhí)行返回基本姿勢(shì)的動(dòng)作。
順便說(shuō)明，在步驟S53至S54中，利用肩滾轉(zhuǎn)軸執(zhí)行使左、右臂部橫向伸展的動(dòng)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(jīng)濟(jì)地增加了用于使有腿移動(dòng)式機(jī)器人100執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作的體積。因此，圖96至101和113至119中所示的一系列動(dòng)作可以由圖130和131中所示的動(dòng)作代替，從而以使肘俯仰軸彎曲來(lái)代替使肩滾轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，這樣，左、右手可以通過(guò)在身體后面的更小使用體積來(lái)著地。
在上述站起來(lái)的動(dòng)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(dāng)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(yù)定增益G(Gx，Gy，Gz)，且該乘積加上當(dāng)前腰的位置r(rhx(t)，rhy(t)，rhz(t))，以獲得在下一時(shí)間t＝t+Δt時(shí)的目標(biāo)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(biāo)腰位置是否能夠形成于當(dāng)前的支承多邊形中(步驟S73)。該判斷通過(guò)計(jì)算下一目標(biāo)腰位置來(lái)進(jìn)行，同時(shí)保持著地連桿的著地點(diǎn)。換句話說(shuō)，從腰位置和著地位置反向進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，且當(dāng)計(jì)算結(jié)果表明角度在活動(dòng)角度范圍內(nèi)且力矩在關(guān)節(jié)促動(dòng)器的允許力矩范圍內(nèi)時(shí)，判斷下一目標(biāo)腰位置可以形成于當(dāng)前的支承多邊形中。
當(dāng)下一目標(biāo)腰位置不能形成于當(dāng)前的支承多邊形中時(shí)，判斷不能使ZMP運(yùn)動(dòng)到能夠由腳部形成的穩(wěn)定區(qū)域中，整個(gè)處理程序終止。
另一方面，當(dāng)下一目標(biāo)腰位置可以形成于當(dāng)前的支承多邊形中時(shí)，計(jì)算當(dāng)腰部運(yùn)動(dòng)到下一目標(biāo)腰位置時(shí)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(dāng)該判斷結(jié)果為肯定時(shí)，確定ZMP可以運(yùn)動(dòng)到能夠由腳部形成的穩(wěn)定區(qū)域中(步驟S76)，整個(gè)處理程序結(jié)束。另一方面，當(dāng)判斷結(jié)果為否定時(shí)，下一腰位置設(shè)置為當(dāng)前的腰位置，而下一ZMP設(shè)置成當(dāng)前的ZMP，然后，處理返回步驟S71，以重復(fù)執(zhí)行類似處理。
應(yīng)當(dāng)知道，在圖130和131所示的動(dòng)作的實(shí)例中，當(dāng)上臂的長(zhǎng)度由l1表示、前臂的長(zhǎng)度由l2表示、肩滾轉(zhuǎn)角度由α表示肘俯仰軸角度由β表示、從肩到手的長(zhǎng)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(shí)(圖132)，在左、右手落在身體后面的地板上的動(dòng)作期間，通過(guò)使肘俯仰軸7操作成滿足以下表達(dá)式，手根本不會(huì)與地板碰撞l12＝l1cosα+l2sin(α+β-90)l12sinγ＜h而且，圖92中所示的、站起來(lái)的動(dòng)作模式表示了有腿移動(dòng)式機(jī)器人的站起來(lái)的動(dòng)作，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體以連桿結(jié)構(gòu)為模型，其中，肩關(guān)節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關(guān)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(dòng)式機(jī)器人的站起來(lái)的動(dòng)作以概括成連桿結(jié)構(gòu)的有腿移動(dòng)式機(jī)器人來(lái)表示，其中，彼此基本平行且分別有關(guān)節(jié)自由度的多個(gè)關(guān)節(jié)軸沿縱向方向彼此連接。
圖133中所示的連桿結(jié)構(gòu)通過(guò)使彼此基本平行且分別有關(guān)節(jié)自由度的多個(gè)關(guān)節(jié)軸沿縱向方向連接而形成。從地板姿勢(shì)(其中，所有的連桿都在地板上)站起來(lái)的動(dòng)作利用連桿A、B、C、D、E和F來(lái)實(shí)現(xiàn)。
不過(guò)，應(yīng)當(dāng)知道，盡管各連桿A至F并不必須是單個(gè)連桿，而是實(shí)際上包括通過(guò)關(guān)節(jié)軸彼此連接的多個(gè)連桿，但是假設(shè)在站起來(lái)的動(dòng)作期間，這些關(guān)節(jié)軸并不操作，連桿之間保持平直，這樣，它們象是單個(gè)連桿那樣起作用。例如，連桿A包括在連桿結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)置在著地多邊形內(nèi)(圖133中的(1))然后，ZMP設(shè)置在第E連桿和第A連桿之間的著地多邊形內(nèi)(圖133中的(2))。這時(shí)，可以利用第F連桿的運(yùn)動(dòng)，使連桿結(jié)構(gòu)端部的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)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(shè)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(shè)置在該著地多邊形中(圖133中的(4))。這時(shí)，可以利用第A連桿的運(yùn)動(dòng)，使連桿結(jié)構(gòu)另一端的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)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(shè)置在該著地多邊形內(nèi)(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(shè)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(kāi)地板，同時(shí)使連桿結(jié)構(gòu)的相對(duì)端部分保持著地。
然后，第F和A連桿的兩端點(diǎn)彼此對(duì)齊，以使ZMP運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)至基本站立姿勢(shì)，同時(shí)ZMP保持設(shè)置在只由第A連桿形成的支承多邊形內(nèi)(圖133中的(8))。
F-2.從基本俯臥姿勢(shì)站起來(lái)的操作圖134表示了本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)器人100通過(guò)同步配合驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連桿模式的肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作。
本實(shí)施例的有腿移動(dòng)式機(jī)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(shì)站起來(lái)，這基本與它從仰臥姿勢(shì)站起來(lái)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(shì)站起來(lái)的操作。
首先，身體采取地板姿勢(shì)中勢(shì)能最小的姿勢(shì)(步驟S51)。該姿勢(shì)對(duì)應(yīng)于基本仰臥姿勢(shì)，在該姿勢(shì)中，將用于站起來(lái)動(dòng)作的肩關(guān)節(jié)俯仰軸4、軀體俯仰軸9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸12和膝蓋俯仰軸14相互連接起來(lái)的連桿，全部處于著地狀態(tài)，如圖134中的(1)所示。這時(shí)，實(shí)際機(jī)器的狀態(tài)如圖135和154所示。
當(dāng)身體處于基本仰臥姿勢(shì)時(shí)，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(shí)，判斷是否可以設(shè)計(jì)當(dāng)身體的一端側(cè)的至少兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板時(shí)的ZMP。判斷ZMP的可設(shè)計(jì)性可以考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)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(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板(步驟S53)。步驟S53與圖134的(2)相對(duì)應(yīng)。在實(shí)際機(jī)器中，包括使軀體關(guān)節(jié)和髖關(guān)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(guān)節(jié)至軀體關(guān)節(jié)的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板，成為與支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿。
這時(shí)，實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作如圖136至144和155至163所示。在所示實(shí)例中，左、右臂部的肩滾轉(zhuǎn)軸促動(dòng)器A5工作，使臂部環(huán)繞肩滾轉(zhuǎn)軸沿地板樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)大約90度(圖136至137和155至156)。這時(shí)，上臂左、右搖擺軸促動(dòng)器A6工作，使臂部環(huán)繞上臂左、右搖擺軸樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)大約180度(圖138和157)。而且，肩滾轉(zhuǎn)軸促動(dòng)器A5操作，使臂部環(huán)繞肩滾轉(zhuǎn)軸沿地板樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)大約90度，直到臂部運(yùn)動(dòng)到頭部的側(cè)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(dòng)作中，各左、右臂部畫(huà)半圓。這時(shí)，可以檢測(cè)在身體周圍的地板上是否有障礙物，以保證站起來(lái)的動(dòng)作所需的安全工作區(qū)域。
然后，一端側(cè)的一個(gè)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(duì)應(yīng)。
在形成的新著地多邊形之后，檢查是否可以將ZMP設(shè)置在著地多邊形中(步驟S55)。該判斷將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。然后，ZMP運(yùn)動(dòng)到著地多邊形內(nèi)，以形成新的支承多邊形(步驟S56)。
在實(shí)際機(jī)器中，當(dāng)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(shí)，肩俯仰軸促動(dòng)器A4、軀體俯仰軸促動(dòng)器A9、髖關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A12和膝關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A14進(jìn)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(shì)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(shí)際機(jī)器的姿勢(shì)中，支承多邊形并不充分狹窄。因此，著地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，以減小支承多邊形(步驟S60)。對(duì)于當(dāng)支承多邊形減小時(shí)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(yù)定角度內(nèi)。
在實(shí)際機(jī)器中，當(dāng)左、右臂部保持伸直時(shí)，手逐漸朝著作為另一著地點(diǎn)的腳底運(yùn)動(dòng)，以形成更狹窄的支承多邊形(圖145至148和164至167)。
這時(shí)，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(guān)節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開(kāi)地板，或者ZMP是否能夠運(yùn)動(dòng)到只由腳部形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域中，這將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。當(dāng)實(shí)際機(jī)器采取圖148和165中所示的姿勢(shì)時(shí)，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(dāng)ZMP保持在由相對(duì)端連桿的著地連桿形成的支承多邊形內(nèi)時(shí)，形成支承多邊形的相對(duì)端連桿的端部之間的距離減小，以使ZMP朝著連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)運(yùn)動(dòng)(步驟S58)。這對(duì)應(yīng)于圖34的(6)至(7)。
在實(shí)際機(jī)器中，當(dāng)作為著地多邊形的相對(duì)端連桿的端部的手和腳底保持著地時(shí)，使手和腳底之間的距離逐漸減小，以使ZMP朝著腳底運(yùn)動(dòng)。這時(shí)實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作在圖149至150以及圖168至169中表示。
然后，隨著ZMP進(jìn)入僅由數(shù)目比第二預(yù)定數(shù)目少、連桿結(jié)構(gòu)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(shí)，數(shù)目比第一預(yù)定數(shù)目多的、連桿結(jié)構(gòu)一端側(cè)的連桿離開(kāi)地板，然后，它們沿縱向方向伸展，以完成站起來(lái)的動(dòng)作(步驟S59)。這與圖134的(8)相對(duì)應(yīng)。
在實(shí)際機(jī)器中，隨著ZMP進(jìn)入由腳底形成的著地多邊形內(nèi)，在ZMP保持處于著地多邊形中時(shí)，從肩關(guān)節(jié)俯仰軸4到踝關(guān)節(jié)俯仰軸14的連桿離開(kāi)地板，且它們沿縱向方向伸展，以完成站起來(lái)的動(dòng)作。這時(shí)實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作在圖151至153和170至172中表示。
當(dāng)在站起來(lái)的最終階段，非著地連桿沿縱向方向伸展時(shí)，保證在身體的動(dòng)作中高效地使用具有相對(duì)較大質(zhì)量操作量的膝關(guān)節(jié)俯仰軸來(lái)執(zhí)行動(dòng)作。
F-3.站起來(lái)的操作的其它實(shí)例在圖91所示的站起來(lái)的操作中，使ZMP支承多邊形最小的姿勢(shì)與時(shí)間序列組合，以執(zhí)行具有使外部力矩最小的動(dòng)作模式的站立操作。該站起來(lái)的動(dòng)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(jìn)變化動(dòng)作。不過(guò)，為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)變化動(dòng)作，需要使手部或腳部離開(kāi)地板，且必須有兩個(gè)或更多與支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿。不過(guò)，根據(jù)身體的姿勢(shì)，有時(shí)不能進(jìn)行步進(jìn)變化動(dòng)作。這時(shí)，站起來(lái)的動(dòng)作自身將失敗(圖91的步驟S64)。
相反，當(dāng)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(jìn)變化動(dòng)作時(shí)，通過(guò)利用手部或腳部的拖動(dòng)，可以減少站起來(lái)的動(dòng)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(jìn)變化動(dòng)作和拖動(dòng)動(dòng)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(jìn)變化動(dòng)作和拖動(dòng)動(dòng)作的站立操作。下面介紹站起來(lái)的動(dòng)作的步驟。圖175至191連續(xù)表示了利用手部或腳部的步進(jìn)變化動(dòng)作或拖動(dòng)動(dòng)作使身體從基本俯臥姿勢(shì)站起來(lái)。在下面的說(shuō)明中，將適當(dāng)?shù)貐⒖几綀D。
首先，身體采取地板姿勢(shì)中勢(shì)能最小的姿勢(shì)(步驟S81)。該姿勢(shì)相當(dāng)于基本俯臥姿勢(shì)，這時(shí)實(shí)際機(jī)器的狀態(tài)如圖175所示。
不過(guò)，應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)在跌倒動(dòng)作之后接著站起來(lái)時(shí)，步驟S81可以省略，以以更短的時(shí)間完成站起來(lái)的動(dòng)作(后面將介紹)。
當(dāng)身體處于基本俯臥姿勢(shì)時(shí)，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(shí)，判斷是否可以設(shè)計(jì)當(dāng)身體一端側(cè)的至少兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)地板時(shí)的ZMP。判斷ZMP的可設(shè)計(jì)性可以考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、角速度、角加速度等。
這時(shí)，判斷與著地多邊形中最狹窄的支承多邊形無(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿能否離開(kāi)地板(步驟S83)。當(dāng)與著地多邊形中最狹窄的支承多邊形無(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿能夠離開(kāi)地板時(shí)，處理前進(jìn)至步驟S84，從而通過(guò)手部或腳部的步進(jìn)變化動(dòng)作來(lái)形成更小的著地多邊形。另一方面，當(dāng)與著地多邊形中最狹窄的支承多邊形無(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿不能離開(kāi)地板時(shí)，處理前進(jìn)至步驟S91，從而利用手部或腳部的拖動(dòng)動(dòng)作來(lái)形成更小的著地多邊形。
在步驟S84中，與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿離開(kāi)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(dāng)在兩手和兩腳處于地板上的情況下站起來(lái)過(guò)程中的機(jī)器人改變左腳和右腳的步位時(shí)(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(shè)置在著地多邊形中(步驟S86)。該判斷的進(jìn)行將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)節(jié)力、加速度、角加速度等。然后，ZMP運(yùn)動(dòng)到著地多邊形內(nèi)，以形成新的支承多邊形(步驟S87)。當(dāng)不能將ZMP設(shè)置在著地多邊形中時(shí)，處理返回步驟S83，這時(shí)再檢查應(yīng)當(dāng)執(zhí)行手部或腳部的步進(jìn)變化動(dòng)作和拖動(dòng)動(dòng)作中的哪一個(gè)。
這時(shí)，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(guān)節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開(kāi)地板，或者ZMP是否能夠運(yùn)動(dòng)到只由腳部形成的ZMP穩(wěn)定區(qū)域中，這將考慮連桿結(jié)構(gòu)的活動(dòng)角度、使連桿相互連接的關(guān)節(jié)促動(dòng)器的扭矩值、關(guān)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(duì)端連桿的著地連桿形成的支承多邊形內(nèi)時(shí)，形成支承多邊形的相對(duì)端連桿的端部之間的距離減小，以使ZMP運(yùn)動(dòng)至連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)(步驟S89)。
在實(shí)際機(jī)器中，當(dāng)作為著地多邊形的相對(duì)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(yùn)動(dòng)。這時(shí)實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作在圖188至189中表示。
然后，隨著ZMP進(jìn)入僅由數(shù)目比第二預(yù)定數(shù)目少、位于連桿結(jié)構(gòu)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(shí)，數(shù)目比第一預(yù)定數(shù)目多、位于連桿結(jié)構(gòu)一端側(cè)的連桿離開(kāi)地板，然后，它們沿縱向方向伸展，以完成站起來(lái)的動(dòng)作(步驟S90)。
在實(shí)際機(jī)器中，隨著ZMP進(jìn)入由腳底形成的著地多邊形內(nèi)，在ZMP保持處于著地多邊形中時(shí)，從肩關(guān)節(jié)俯仰軸4到踝關(guān)節(jié)俯仰軸14的連桿離開(kāi)地板，且它們沿縱向方向伸展，以完成站起來(lái)的動(dòng)作。這時(shí)實(shí)際機(jī)器的動(dòng)作在圖190至191中表示。
在站起來(lái)的最終階段，當(dāng)非著地連桿沿縱向方向伸展時(shí)，保證在身體的動(dòng)作中高效地使用具有相對(duì)較大質(zhì)量操作量的膝關(guān)節(jié)俯仰軸來(lái)執(zhí)行動(dòng)作。
另一方面，當(dāng)在步驟S83中判斷與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿不能離開(kāi)地板時(shí)，將檢查位于最大支承多邊形的內(nèi)部的兩個(gè)或更多著地連桿能否離開(kāi)地板，以執(zhí)行手部或腳部的拖動(dòng)動(dòng)作(步驟S91)。
這時(shí)，當(dāng)位于最大支承多邊形內(nèi)部的兩個(gè)或更多著地連桿不能離開(kāi)地板時(shí)，將判斷著地點(diǎn)能否進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)以減小支承多邊形。當(dāng)不能減小該支承多邊形時(shí)，站起來(lái)的動(dòng)作停止(步驟S95)。換句話說(shuō)，站起來(lái)的動(dòng)作失敗。
另一方面，當(dāng)位于最大支承多邊形內(nèi)部的兩個(gè)或更多著地連桿能夠離開(kāi)地板時(shí)，位于最大支承多邊形內(nèi)部的兩個(gè)或更多著地連桿離開(kāi)地板(步驟S92)，且利用手部或腳部的拖動(dòng)動(dòng)作來(lái)使著地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，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(guò)程中的機(jī)器人將兩手拖向腳，同時(shí)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(duì)端連桿的著地連桿形成的支承多邊形內(nèi)時(shí)，形成支承多邊形的相對(duì)端連桿的端部之間的距離減小，以使ZMP運(yùn)動(dòng)至連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)(步驟S89)。
然后，隨著ZMP進(jìn)入僅由數(shù)目比第二預(yù)定數(shù)目少、連桿結(jié)構(gòu)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(shí)，數(shù)目比第一預(yù)定數(shù)目多、連桿結(jié)構(gòu)一端側(cè)的連桿離開(kāi)地板，然后，它們沿縱向方向伸展，以完成站起來(lái)的動(dòng)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(wú)關(guān)的連桿數(shù)目最大的連桿以及連桿的位置的詳細(xì)過(guò)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(jìn)行初始化。然后，ZMP設(shè)置在第i連桿的第j位置(步驟S103)。
這時(shí)，判斷ZMP空間是否穩(wěn)定(步驟S104)。當(dāng)ZMP空間穩(wěn)定時(shí)，計(jì)算與最小支承多邊形無(wú)關(guān)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(dāng)L大于M時(shí)(步驟S106)，L(i，j)代入M(A、B)(步驟S107)。
另一方面，當(dāng)ZMP空間不穩(wěn)定時(shí)，當(dāng)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(guò)總位置數(shù)目J，然后處理返回步驟S103，以重復(fù)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(dāng)i不大于總連桿數(shù)目時(shí)，處理返回步驟S102，以重復(fù)執(zhí)行與上述類似的處理。
當(dāng)i大于總連桿數(shù)目I時(shí)，連桿代入A，位置代入B，然后結(jié)束并處理程序。
如上所述，在跌倒操作之后站起來(lái)時(shí)，步驟S81可以省略，以以更短時(shí)間完成站起來(lái)的操作。
例如，當(dāng)身體的重心在腰部時(shí)，ZMP可以設(shè)置在使與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿的數(shù)目最大的位置。在該跌倒和著地動(dòng)作后，所有可以離開(kāi)地板的連桿都離地。特別是，下肢和軀體都向上運(yùn)動(dòng)，以使身體的上部和下肢都同時(shí)離開(kāi)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(shí)現(xiàn)高效站起來(lái)的運(yùn)動(dòng)。
圖192至198表示了身體在跌倒動(dòng)作之后接著執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作時(shí)的一系列動(dòng)作。
身體的朝后跌倒運(yùn)動(dòng)從如圖192所示的站立姿勢(shì)開(kāi)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(shí)例中，ZMP使身體部分設(shè)置成與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿數(shù)目最大。而且，它的特征在于跌倒動(dòng)作并不是終止于基本俯臥姿勢(shì)，而是處于腿部離開(kāi)地板的狀態(tài)，這與參考圖23至38和39至55所述的實(shí)例不同。
在隨后的站起來(lái)的動(dòng)作中，能夠離開(kāi)地板的所有連桿(也就是腿部和身體部分)離開(kāi)地板，如圖195所示，以開(kāi)始站起來(lái)的動(dòng)作。其中，驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)和/或軀體的俯仰軸驅(qū)動(dòng)器，以使身體的上部坐起來(lái)，如圖196至197所示。驅(qū)動(dòng)用于右腿的髖關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A12，以升高右腿，并驅(qū)動(dòng)用于右腿的膝關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A14，以使右腿彎曲，這樣，右腿的腳底著地。然后，驅(qū)動(dòng)用于腿的髖關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A12，以升高左腿，并驅(qū)動(dòng)用于左腿的膝關(guān)節(jié)俯仰軸促動(dòng)器A14，以使左腿彎曲，這樣，左腿的腳底著地。通過(guò)使腳底朝著髖關(guān)節(jié)俯仰軸12側(cè)(這時(shí)身體的重心位置在該髖關(guān)節(jié)俯仰軸12側(cè))逐漸運(yùn)動(dòng)，可以形成比初始地板姿勢(shì)更狹窄的支承多邊形，如圖198所示。
當(dāng)在跌倒動(dòng)作之后接著執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作時(shí)，與上面參考圖23至38和39至55所述的實(shí)例相比，能夠以更少步驟形成更小的著地多邊形。換句話說(shuō)，應(yīng)當(dāng)知道，通過(guò)上述實(shí)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(lái)的運(yùn)動(dòng)。
補(bǔ)充說(shuō)明上面已經(jīng)參考特定實(shí)施例詳細(xì)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(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)實(shí)施例進(jìn)行改變或變化。
本發(fā)明的主題并不必須局限于成為“機(jī)器人”的產(chǎn)品。特別是，本發(fā)明同樣可以用于利用電或機(jī)械作用來(lái)執(zhí)行類似于人類動(dòng)作的任意一種機(jī)械裝置，即使該機(jī)械裝置是屬于其它工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品，例如玩具。
總而言之，已經(jīng)通過(guò)

介紹了本發(fā)明，但是，不應(yīng)該對(duì)本說(shuō)明書(shū)所述的內(nèi)容作限制性的理解。為了確定本發(fā)明的主題，應(yīng)當(dāng)參考本申請(qǐng)的權(quán)利要求。
工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，可以提供超級(jí)有腿移動(dòng)式機(jī)器人和用于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的超級(jí)跌倒動(dòng)作控制方法，從而可以在跌倒和跌落的過(guò)程中通過(guò)整個(gè)身體(不僅腿部，而且身體和臂部)的動(dòng)作控制而盡可能減少在其它情況下可能對(duì)該機(jī)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(dòng)式機(jī)器人的超級(jí)動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法，從而使該機(jī)器人可以自己從地板姿勢(shì)(例如仰臥姿勢(shì)或俯臥姿勢(shì))恢復(fù)到它的站立姿勢(shì)。
而且，根據(jù)本發(fā)明，可以提供用于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的超級(jí)動(dòng)作控制裝置和動(dòng)作控制方法，從而使該機(jī)器人可以通過(guò)扭矩相對(duì)較低的穩(wěn)定動(dòng)作而從地板姿勢(shì)(例如仰臥姿勢(shì)或俯臥姿勢(shì))恢復(fù)到它的站立姿勢(shì)。
權(quán)利要求
1.一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并可在站立姿勢(shì)下進(jìn)行腿操作，其特征在于所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人有多個(gè)姿勢(shì)或狀態(tài)，且所述動(dòng)作控制裝置包括第一裝置，用于計(jì)算由所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體的著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S；第二裝置，用于計(jì)算支承多邊形的面積S每時(shí)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(shí)，確定身體的動(dòng)作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(dòng)式機(jī)器人跌倒時(shí)，根據(jù)由所述身體著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S每時(shí)間Δt的變化來(lái)，尋找著地位置；目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置裝置，用于設(shè)置目標(biāo)著地點(diǎn)，由著地位置尋找裝置選擇的位置應(yīng)當(dāng)在該目標(biāo)著地點(diǎn)著地，這樣，由所述身體的著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S每時(shí)間Δt的變化ΔS/Δt可以減至最?。灰约拔恢弥匮b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(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置裝置設(shè)置的目標(biāo)著地點(diǎn)處著地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，還包括支承多邊形擴(kuò)大裝置，用于使著地部分運(yùn)動(dòng)，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(jìn)一步擴(kuò)大。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于重復(fù)執(zhí)行由所述著地部分選擇裝置和所述目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置裝置進(jìn)行的、部分的著地操作和/或由所述支承多邊形擴(kuò)大裝置進(jìn)行的、支承多邊形的擴(kuò)大操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人由連桿結(jié)構(gòu)形成，其中，多個(gè)具有關(guān)節(jié)自由度的基本平行關(guān)節(jié)軸沿縱向彼此連接；以及所述目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)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(shè)置為目標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人由連桿結(jié)構(gòu)形成，其中，多個(gè)具有關(guān)節(jié)自由度的基本平行關(guān)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(dāng)所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人從跌倒?fàn)顟B(tài)返回時(shí)，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(dòng)式機(jī)器人處于地板姿勢(shì)時(shí)由著地連桿形成，在有腿移動(dòng)式機(jī)器人的地板姿勢(shì)中，包括位于所述身體重心的重心連桿的兩個(gè)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(gè)或更多連續(xù)連桿彎曲，直到端部連桿的端部到達(dá)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(yù)定數(shù)目的連桿從連桿結(jié)構(gòu)的一端側(cè)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(quán)利要求6所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(diǎn)保持可設(shè)計(jì)時(shí)，選取可以離開(kāi)地板的著地連桿。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(shí)使重心連桿保持在著地狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(duì)端連桿的端部著地時(shí)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(quán)利要求6所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(duì)端連桿的端部著地時(shí)的狀態(tài)下，使重心連桿離開(kāi)地板；零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)裝置，用于在重心連桿離地時(shí)的狀態(tài)下，減小在支承多邊形的相對(duì)端連桿的端部之間的距離，以使零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至所述連桿結(jié)構(gòu)的相對(duì)端側(cè)；以及擴(kuò)展非著地連桿裝置，用于隨著零力矩點(diǎn)進(jìn)入僅由數(shù)目比第二預(yù)定數(shù)目少、所述連桿結(jié)構(gòu)的另一端的著地連桿形成的著地多邊形中，在零力矩點(diǎn)保持處于著地多邊形中時(shí)，使數(shù)目比第一預(yù)定數(shù)目多的、連桿結(jié)構(gòu)一端側(cè)的連桿離開(kāi)地板，以沿縱向方向擴(kuò)展非著地連桿。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于用于沿縱向方向擴(kuò)展非著地連桿的所述擴(kuò)展非著地連桿裝置，利用具有相對(duì)較大質(zhì)量操作量的關(guān)節(jié)自由度來(lái)穩(wěn)定操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于所述連桿結(jié)構(gòu)至少包括沿所述身體的高度方向彼此連接的肩關(guān)節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于在零力矩點(diǎn)保持可設(shè)計(jì)時(shí)，用于尋找支承多邊形的所述尋找裝置選取從所述連桿結(jié)構(gòu)的一端側(cè)伸出的、包括至少肩關(guān)節(jié)俯仰軸的兩個(gè)或更多連續(xù)連桿作為能夠離開(kāi)地板的連桿。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(shí)在著地狀態(tài)中，使所述軀體俯仰軸和所述髖關(guān)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(quán)利要求12所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(guān)節(jié)俯仰軸彎曲，使得作為一個(gè)端部連桿的端部的手落在地板上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于當(dāng)上臂的長(zhǎng)度由l1表示、前臂的長(zhǎng)度由l2表示、肩滾轉(zhuǎn)角度由α表示、肘俯仰角度由β表示、從肩到手的長(zhǎng)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(shí)，各臂部滿足以下表達(dá)式l12＝l1cosα+l2sin(α+β-90)l12sinγ＜h
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于在零力矩點(diǎn)保持可設(shè)計(jì)時(shí)，用于尋找支承多邊形的所述尋找裝置選取從所述連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)伸出的、包括至少所述膝關(guān)節(jié)俯仰軸的兩個(gè)或更多連續(xù)連桿作為能夠離開(kāi)地板的連桿。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(guān)節(jié)俯仰軸彎曲，使得作為所述連桿結(jié)構(gòu)端部連桿的端部的腳底著地。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(duì)端連桿端部的手和腳底著地時(shí)的狀態(tài)下，使所述軀體俯仰軸和所述髖關(guān)節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開(kāi)地板，以判斷支承多邊形是否充分狹窄。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(duì)端連桿端部的手和腳底著地時(shí)的狀態(tài)下，使重心連桿離開(kāi)地板，該重心連桿使所述軀體俯仰軸和所述髖關(guān)節(jié)俯仰軸相互連接；零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)裝置，用于在重心連桿離開(kāi)地板時(shí)的狀態(tài)下，減小作為著地多邊形相對(duì)端連桿端部的手和腳底之間的距離，以使零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至腳底；以及擴(kuò)展著非地連桿裝置，用于隨著零力矩點(diǎn)進(jìn)入由腳底形成的著地多邊形中，在零力矩點(diǎn)保持處于著地多邊形中時(shí)，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(kuò)展非著地連桿，從而使所述身體豎直站立。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于用于沿縱向方向擴(kuò)展非著地連桿的所述擴(kuò)展非著地連桿裝置，利用具有相對(duì)較大質(zhì)量操作量的膝關(guān)節(jié)俯仰軸來(lái)操作。
22.根據(jù)權(quán)利要求6所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于根據(jù)與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿是否能夠離開(kāi)地板，用于產(chǎn)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(jìn)變化動(dòng)作和拖動(dòng)動(dòng)作中的一種，以形成更狹窄的著地多邊形。
23.一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并可在站立姿勢(shì)下進(jìn)行腿操作，其特征在于所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人有多個(gè)姿勢(shì)或狀態(tài)，且所述動(dòng)作控制方法包括第一步驟，計(jì)算由所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人身體的著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S；第二步驟，計(jì)算支承多邊形的面積S每時(shí)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(shí)，確定身體的動(dòng)作。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(dòng)式機(jī)器人跌倒時(shí)，根據(jù)由所述身體著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S每時(shí)間Δt的變化來(lái)尋找著地位置；目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置步驟，設(shè)置目標(biāo)著地點(diǎn)，由著地位置尋找步驟選擇的位置應(yīng)當(dāng)在該目標(biāo)著地點(diǎn)著地，這樣，由所述身體著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的面積S隨時(shí)間Δt的變化ΔS/Δt可以減至最?。灰约拔恢弥夭襟E，使由著地位置尋找步驟選定的位置在由目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置步驟設(shè)置的目標(biāo)著地點(diǎn)處著地。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，還包括支承多邊形擴(kuò)大步驟，用于使著地部分運(yùn)動(dòng)，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(jìn)一步擴(kuò)大。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于重復(fù)執(zhí)行由著地部分選擇步驟和目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)置步驟中的部分的著地操作和/或由所述支承多邊形擴(kuò)大步驟進(jìn)行的支承多邊形的擴(kuò)大操作。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制步驟，其特征在于所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人由連桿結(jié)構(gòu)形成，其中，多個(gè)具有關(guān)節(jié)自由度的基本平行關(guān)節(jié)軸沿縱向彼此連接；以及目標(biāo)著地點(diǎn)設(shè)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(shè)置為目標(biāo)。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于，所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人由連桿結(jié)構(gòu)形成，其中，多個(gè)具有關(guān)節(jié)自由度的基本平行關(guān)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(dāng)所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人從它的跌倒?fàn)顟B(tài)返回時(shí)，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(dòng)式機(jī)器人處于地板姿勢(shì)時(shí)由著地連桿形成，在有腿移動(dòng)式機(jī)器人的地板姿勢(shì)中，包括位于所述身體重心的重心連桿的兩個(gè)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(gè)或更多連續(xù)連桿彎曲，直到端部連桿的端部到達(dá)地板上，從而形成更狹窄的著地多邊形；以及使連桿結(jié)構(gòu)一端側(cè)的、數(shù)目比第一預(yù)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(quán)利要求28所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于在零力矩點(diǎn)保持可設(shè)計(jì)時(shí)，在尋找支承多邊形的步驟中，選取可以離開(kāi)地板的著地連桿。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(shí)使重心連桿保持在著地狀態(tài)。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(duì)端連桿的端部著地時(shí)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(quán)利要求28所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(duì)端連桿的端部著地時(shí)的狀態(tài)下，使重心連桿離開(kāi)地板，并減小支承多邊形相對(duì)端連桿的端部之間的距離，使零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至所述連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)；以及隨著零力矩點(diǎn)進(jìn)入僅由數(shù)目比第二預(yù)定數(shù)目少、所述連桿結(jié)構(gòu)另一端的著地連桿形成的著地多邊形中，在零力矩點(diǎn)保持處于著地多邊形中時(shí)，使數(shù)目比第一預(yù)定數(shù)目多、連桿結(jié)構(gòu)一端側(cè)的連桿離開(kāi)地板，以沿縱向方向擴(kuò)展非著地連桿。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于在沿縱向方向擴(kuò)展非著地連桿的步驟中，利用具有相對(duì)較大質(zhì)量操作量的關(guān)節(jié)自由度來(lái)操作。
34.根據(jù)權(quán)利要求28所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于所述連桿結(jié)構(gòu)至少包括沿所述身體的高度方向彼此連接的肩關(guān)節(jié)俯仰軸、軀體俯仰軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸和膝蓋俯仰軸。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于在零力矩點(diǎn)保持可設(shè)計(jì)時(shí)，在尋找支承多邊形的步驟中，選取從所述連桿結(jié)構(gòu)的一端側(cè)伸出的、包括至少肩關(guān)節(jié)俯仰軸的兩個(gè)或更多連續(xù)連桿，作為能夠離開(kāi)地板的連桿。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(shí)在著地狀態(tài)中，使所述軀體俯仰軸和所述髖關(guān)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(quán)利要求34所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(guān)節(jié)俯仰軸彎曲，以使得作為一個(gè)端部連桿的端部的手落在地板上。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于當(dāng)上臂的長(zhǎng)度由l1表示、前臂的長(zhǎng)度由l2表示、肩滾轉(zhuǎn)角度由α表示肘俯仰軸角度由β表示、從肩到手的長(zhǎng)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(shí)，各臂部滿足以下表達(dá)式l12＝l1cosα+l2sin(α+β-90)l12sinγ＜h
39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于在零力矩點(diǎn)保持可設(shè)計(jì)時(shí)，在尋找支承多邊形的步驟中，選取從所述連桿結(jié)構(gòu)的另一端側(cè)伸出的、包括至少所述膝關(guān)節(jié)俯仰軸的兩個(gè)或更多連續(xù)連桿，作為能夠離開(kāi)地板的連桿。
40.根據(jù)權(quán)利要求34所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(guān)節(jié)俯仰軸彎曲，以使得作為所述連桿結(jié)構(gòu)端部連桿的端部的腳底著地。
41.根據(jù)權(quán)利要求34所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(duì)端連桿的端部的手和腳底著地時(shí)的狀態(tài)下，使所述軀體俯仰軸和所述髖關(guān)節(jié)俯仰軸相互連接的重心連桿是否能夠離開(kāi)地板，以判斷支承多邊形是否充分窄。
42.根據(jù)權(quán)利要求34所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)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(duì)端連桿的端部的手和腳底著地時(shí)的狀態(tài)下，使連接所述軀體俯仰軸和所述髖關(guān)節(jié)俯仰軸的重心連桿離開(kāi)地板，并在重心連桿離開(kāi)地板時(shí)的狀態(tài)下，減小作為著地多邊形相對(duì)端連桿的端部的手和腳底之間的距離，以使零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至腳底；以及隨著零力矩點(diǎn)進(jìn)入由腳底形成的著地多邊形中，在零力矩點(diǎn)保持處于著地多邊形中時(shí)，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(kuò)展著非地多邊形，從而使所述身體豎直站立。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于在沿縱向方向擴(kuò)展非著地連桿的步驟中，利用具有相對(duì)較大質(zhì)量操作量的膝關(guān)節(jié)俯仰軸來(lái)操作。
44.根據(jù)權(quán)利要求28所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于在產(chǎn)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(wú)關(guān)的兩個(gè)或更多連桿是否能夠離開(kāi)地板，從而選擇利用手部或腳部在地板上的步進(jìn)變化動(dòng)作和拖動(dòng)動(dòng)作中的一種，以形成更狹窄的著地多邊形。
45.一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人，它包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并在站立姿勢(shì)下執(zhí)行腿的操作，包括外力檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)施加給所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體的外力；零力矩點(diǎn)軌跡設(shè)計(jì)裝置，用于根據(jù)所述外力檢測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果，將使得施加給所述身體的力矩彼此平衡的零力矩點(diǎn)布置在由腳底著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的邊上或內(nèi)部；以及跌倒動(dòng)作執(zhí)行裝置，用于當(dāng)由于施加給所述身體的外力而使得所述零力矩點(diǎn)軌跡計(jì)劃裝置很難或不能將零力矩點(diǎn)布置在支承多邊形內(nèi)時(shí)，執(zhí)行所述身體的跌倒動(dòng)作。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人，其特征在于所述外力檢測(cè)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(cè)施加給所述身體的外力。
47.一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并能夠在站立姿勢(shì)下執(zhí)行腿的操作，該方法包括外力檢測(cè)步驟，檢測(cè)施加給所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體的外力；零力矩點(diǎn)軌跡設(shè)計(jì)步驟，根據(jù)外力檢測(cè)步驟的檢測(cè)結(jié)果，將使得施加給所述身體的力矩彼此平衡的零力矩點(diǎn)布置在由腳底著地點(diǎn)和地板形成的支承多邊形的邊上或內(nèi)部；以及跌倒動(dòng)作執(zhí)行步驟，當(dāng)由于施加給所述身體的外力而使得在零力矩點(diǎn)軌跡計(jì)劃步驟中很難或不能將零力矩點(diǎn)布置在支承多邊形內(nèi)時(shí)，執(zhí)行所述身體的跌倒動(dòng)作。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于在所述外力檢測(cè)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(cè)施加給所述身體的外力。
49.一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并能夠在站立姿勢(shì)下執(zhí)行腿的操作，該動(dòng)作控制裝置包括沖擊力矩計(jì)算裝置，用于計(jì)算在所述身體跌倒的各階段向所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體施加的沖擊力矩；沖擊力計(jì)算裝置，用于計(jì)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(jì)算裝置，用于計(jì)算由所述身體的著地點(diǎn)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(quán)利要求49所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制裝置，其特征在于當(dāng)由地板施加給所述身體的沖擊力在預(yù)定允許值范圍內(nèi)時(shí)，所述身體的跌倒動(dòng)作將通過(guò)所述第二著地位置尋找裝置來(lái)執(zhí)行，但是當(dāng)沖擊力超出預(yù)定允許值范圍時(shí)，身體的跌倒動(dòng)作將通過(guò)第一著地位置尋找裝置來(lái)執(zhí)行。
51.一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并能夠在站立姿勢(shì)下執(zhí)行腿的操作，該動(dòng)作控制方法沖擊力矩計(jì)算步驟，計(jì)算在所述身體跌倒的各階段向所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體施加的沖擊力矩；沖擊力計(jì)算步驟，計(jì)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(jì)算步驟，計(jì)算由所述身體的著地點(diǎn)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(quán)利要求51所述的有腿移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)作控制方法，其特征在于當(dāng)由地板施加給所述身體的沖擊力在預(yù)定允許值范圍內(nèi)時(shí)，所述身體的跌倒動(dòng)作將通過(guò)第二著地位置尋找步驟來(lái)執(zhí)行，但是當(dāng)沖擊力超出預(yù)定允許值范圍時(shí)，身體的跌倒動(dòng)作將通過(guò)第一著地位置尋找步驟來(lái)執(zhí)行。
53.一種動(dòng)作控制裝置，用于控制關(guān)于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體的跌倒和站起來(lái)的一系列動(dòng)作，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并在站立姿勢(shì)下執(zhí)行腿的操作，其特征在于所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人由連桿結(jié)構(gòu)形成，其中，多個(gè)具有關(guān)節(jié)自由度的基本平行關(guān)節(jié)軸沿縱向方向彼此連接；以及所述動(dòng)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(shì)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(dāng)所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人跌倒時(shí)，包括位于所述身體重心的重心連桿的兩個(gè)或更多連桿落在地板上；零力矩點(diǎn)設(shè)置裝置，用于將零力矩點(diǎn)設(shè)置在使與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿數(shù)目最大時(shí)的位置，以執(zhí)行跌倒動(dòng)作；離地連桿尋找裝置，用于尋找在所述身體的跌倒姿勢(shì)中能夠離開(kāi)地板的連桿；以及離地裝置，用于使能夠離開(kāi)地板的所有連桿離地，以執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作。
54.一種動(dòng)作控制方法，用于控制關(guān)于有腿移動(dòng)式機(jī)器人的身體的跌倒和站起來(lái)的一系列動(dòng)作，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人包括可運(yùn)動(dòng)的腿，并在站立姿勢(shì)下執(zhí)行腿的操作，其特征在于所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人由連桿結(jié)構(gòu)形成，其中，多個(gè)具有關(guān)節(jié)自由度的基本平行關(guān)節(jié)軸沿縱向方向彼此連接；以及所述動(dòng)作控制方法包括下列步驟從地板姿勢(shì)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(dāng)所述有腿移動(dòng)式機(jī)器人跌倒時(shí)，包括位于所述身體重心的重心連桿的兩個(gè)或更多連桿落在地板；將零力矩點(diǎn)設(shè)置在使與最小支承多邊形無(wú)關(guān)的連桿數(shù)目最大時(shí)的位置，以執(zhí)行跌倒動(dòng)作；尋找在所述身體的跌倒姿勢(shì)中能夠離開(kāi)地板的連桿；以及使能夠離開(kāi)地板的所有連桿都離地，以執(zhí)行站起來(lái)的動(dòng)作。
55.一種機(jī)器人裝置，該機(jī)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(jī)器人裝置還包括支承多邊形檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)當(dāng)腿部、軀體部分和/或臂部著地時(shí)由所述腿部、軀體部分和/或臂部的多個(gè)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(diǎn)動(dòng)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(diǎn)能否運(yùn)動(dòng)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(dāng)零力矩點(diǎn)動(dòng)作控制裝置判斷零力矩點(diǎn)能夠運(yùn)動(dòng)時(shí)，使零力矩點(diǎn)從第一支承多邊形內(nèi)運(yùn)動(dòng)至由腳底形成的著地多邊形中，并當(dāng)零力矩點(diǎn)保持在著地多邊形中時(shí)，使所述機(jī)器人裝置的姿勢(shì)從跌倒姿勢(shì)變化成基本姿勢(shì)。
56.一種機(jī)器人裝置，至少包括身體；一個(gè)或多個(gè)臂連桿，該臂連桿分別通過(guò)第一關(guān)節(jié)(肩)與身體的上部連接；第一腿連桿，該第一腿連桿通過(guò)第二關(guān)節(jié)(髖關(guān)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(guò)第三關(guān)節(jié)(膝)與所述第一腿連桿的端部連接，其特征在于，該機(jī)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(yùn)動(dòng)裝置，用于在所述臂連桿的端部和所述腳部保持著地時(shí)，使所述第二關(guān)節(jié)沿垂直于地板的方向向上運(yùn)動(dòng)而高于所述第三關(guān)節(jié)，減小第一支承多邊形的面積，并使零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)保持在由所述腳部形成的著地多邊形中時(shí)，使所述機(jī)器人裝置的身體豎直站立。
全文摘要
一種有腿移動(dòng)式機(jī)器人，當(dāng)施加在它上面的外力或外力矩過(guò)高且不能設(shè)計(jì)腳部動(dòng)作時(shí)將放棄正常行走動(dòng)作并開(kāi)始跌倒動(dòng)作。這時(shí)，身體的支承多邊形的面積S隨時(shí)間t的變化量ΔS/Δt最小，且當(dāng)身體落在地板上時(shí)，支承多邊形增至最大，以將身體落在地板上時(shí)由地板作用在身體上的沖擊分散到整個(gè)身體上，從而使得對(duì)身體的損害減至最小。而且，該有腿移動(dòng)式機(jī)器人能自己從地板姿勢(shì)例如仰臥姿勢(shì)或俯臥姿勢(shì)返回站立姿勢(shì)。
文檔編號(hào)B62D57/032GK1518488SQ0380050
公開(kāi)日2004年8月4日 申請(qǐng)日期2003年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月15日
發(fā)明者山口仁一, 三上達(dá)郎, 官本敦史, 史, 郎 申請(qǐng)人:索尼公司, 山口仁一