專利名稱：腿式移動(dòng)機(jī)器人的控制方法以及腿式移動(dòng)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過使多個(gè)腿部連結(jié)體(link)動(dòng)作而行走的腿式移動(dòng)機(jī) 器人，特別是涉及使腿部連結(jié)體著落在路面上時(shí)的腿式移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)作 控制。
背景技術(shù)：
例如專利文獻(xiàn)1公開了以下的腿式移動(dòng)機(jī)器人，該腿式移動(dòng)機(jī)器人具 有軀體部和與軀體部連結(jié)的兩個(gè)腿部連結(jié)體，并且通過兩個(gè)腿部連結(jié)體交 替地向前方伸出并使其著落在路面上而行走。 一般來說，腿式移動(dòng)機(jī)器人 基于以已知的路面作為前提而制作的步態(tài)數(shù)據(jù)來進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，計(jì)算 出用于實(shí)現(xiàn)步態(tài)數(shù)據(jù)所描述的各部位的軌跡的踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)等腿部關(guān)節(jié) 的目標(biāo)角度。另外，步態(tài)數(shù)據(jù)是包括腿式移動(dòng)機(jī)器人的ZMP (zero moment point,零力矩點(diǎn))軌跡、重心軌跡、軀體部的軌跡、以及經(jīng)由踝 關(guān)節(jié)設(shè)置在腿部連結(jié)體的頂端上的腳掌的軌跡等的時(shí)序數(shù)據(jù)。并且，腿式 移動(dòng)機(jī)器人按照追隨以下軌跡的方式來驅(qū)動(dòng)腿部關(guān)節(jié)并由此來進(jìn)行行走動(dòng) 作，所述軌跡是時(shí)序地計(jì)算出的目標(biāo)角度的軌跡。即，腿式移動(dòng)機(jī)器人包 括用于使腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨目標(biāo)角度的軌跡的伺服機(jī)構(gòu)。
專利文獻(xiàn)1:日本專利文獻(xiàn)特開平5—2457S0號(hào)公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
'發(fā)明所要解決的問題
但是，當(dāng)腿式移動(dòng)機(jī)器人在存在未知凹凸的不平整路面上行走時(shí)，基 于已知的路面形狀而預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度的軌跡未必是最適于進(jìn)行穩(wěn)定 的行走動(dòng)作的軌跡。即，即便使腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨基于已知的路面 形狀而設(shè)定了的目標(biāo)角度，也難以使腿式移動(dòng)機(jī)器人穩(wěn)定地持續(xù)行走，在最壞的情況下有可能導(dǎo)致機(jī)器人跌倒。
用于使腿式移動(dòng)機(jī)器人在這樣的存在未知凹凸的不平整路面上行走的有效的控制方法之一是例如使作為腿部關(guān)節(jié)之一的踝關(guān)節(jié)成為柔軟的狀態(tài)而使腳掌著落在路面上，通過作用在腳掌上的來自路面的反作用力使踝關(guān)節(jié)角度被動(dòng)地發(fā)生變化，由此使踝關(guān)節(jié)角度效仿路面形狀。
但是，如果使腿部關(guān)節(jié)被動(dòng)地效仿路面形狀，則在剛著地后的腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度之間會(huì)產(chǎn)生偏差。如果未恰當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償該偏差對(duì)機(jī)器人的行走造成的影響，則無法穩(wěn)定地進(jìn)行以著地了的腿部連結(jié)體作為新的支承腿之后的行走。具體地說，由于著地后成為支承腿的腿部連結(jié)體的關(guān)節(jié)急劇地追隨目標(biāo)角度，有可能導(dǎo)致腿式移動(dòng)機(jī)器人的重心位置發(fā)生急劇的變化。另外，如上所述，有時(shí)基于已知的路面形狀而預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度的軌跡不是恰當(dāng)?shù)能壽E。在該情況下，即便使腿部關(guān)節(jié)追隨原來的目標(biāo)角度，腿式移動(dòng)機(jī)器人也無法進(jìn)行穩(wěn)定的行走動(dòng)作。
本發(fā)明是考慮到上述問題而完成的，其目的在于當(dāng)為了使效仿路面形狀而變化了的腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨目標(biāo)角度而再次使腿部關(guān)節(jié)變硬了時(shí)，抑制由于腿部關(guān)節(jié)追隨背離了實(shí)際角度的目標(biāo)角度而導(dǎo)致腿式移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生不穩(wěn)定的舉動(dòng)。
用于解決問題的手段
本發(fā)明的第一方式的方法是包括多個(gè)腿部連結(jié)體的腿式移動(dòng)機(jī)器人的行走控制方法，進(jìn)行以下所述的處理。首先，當(dāng)所述多個(gè)腿部連結(jié)體中的作為懸空腿的第一腿部連結(jié)體著落在路面上時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)所述第一腿部連結(jié)體所具有的第一腿部關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)部以使所述第一腿部關(guān)節(jié)變?nèi)幔纱耸怪湓谒雎访嫔系乃龅谝煌炔窟B結(jié)體的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度不追隨預(yù)先確定了的目標(biāo)角度的軌跡而是根據(jù)所述路面的形狀發(fā)生變化。并且，在所述第一腿部連結(jié)體著落在所述路面上之后，修正所述目標(biāo)角度的軌跡以消除所述第一腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與所述目標(biāo)角度的差。另外，通過控制所述驅(qū)動(dòng)部以使所述第一腿部關(guān)節(jié)變硬來使成為了支承腿的所述第一腿部連結(jié)體的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨修正后的所述目標(biāo)角度的軌跡。如上所述，在本發(fā)明的第一方式的方法中，修正預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度的軌跡，以消除在使腿部關(guān)節(jié)變?nèi)岬臓顟B(tài)下使腿部連結(jié)體著地時(shí)產(chǎn)生的腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與作為控制目標(biāo)的目標(biāo)角度的差。由此，能夠在為了使效仿路面形狀而發(fā)生了變化的腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨目標(biāo)角度而再次使腿部關(guān)節(jié)變硬了時(shí)，抑制由于腿部關(guān)節(jié)急劇地追隨與實(shí)際角度不同的目標(biāo)角度而導(dǎo)致腿式移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生不穩(wěn)定的舉動(dòng)。
另外，在上述第一方式中，可以采用以下方式通過改變所述第一關(guān)節(jié)追隨所述目標(biāo)角度的追隨速度來改變所述第一關(guān)節(jié)的柔度。另外，也可以采用以下方式通過增減所述驅(qū)動(dòng)部的輸出轉(zhuǎn)矩來改變所述第一關(guān)節(jié)的柔度。
另外，可以采用以下方式通過將使所述第一關(guān)節(jié)變硬時(shí)的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與所述目標(biāo)角度的差和所述目標(biāo)角度相加來修正上述第一方式中的所述目標(biāo)角度。由此，能夠容易地修正腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度的偏差。
另外，也可以采用以下方式通過將使所述第一關(guān)節(jié)變硬時(shí)的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與所述目標(biāo)角度的差、以及連結(jié)有所述多個(gè)腿部連結(jié)體的所述腿式移動(dòng)機(jī)器人的軀體部的目標(biāo)姿勢(shì)角度與實(shí)際姿勢(shì)角度的差和所述目標(biāo)角度相加來修正上述第一方式中的所述目標(biāo)角度。由此，能夠在使第一關(guān)節(jié)變硬時(shí)的第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度的計(jì)測(cè)值包含誤差時(shí)、第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與目標(biāo)角度的差包含誤差時(shí)、或者計(jì)算出了第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與目標(biāo)角度的差之后成為支承腿的腿部連結(jié)體與路面的接觸狀態(tài)發(fā)生了變化時(shí)，抑制將第一腿部連結(jié)體作為支承腿而接下來著地的腿部連結(jié)體產(chǎn)生位置誤差。因此，能夠使行走動(dòng)作穩(wěn)定。
另外，在上述第一方式中，可以采用以下方式在所述第一腿部連結(jié)體再次變?yōu)榱藨铱胀绕陂g后使對(duì)所述目標(biāo)角度的修正量為0。由此，能夠使再次使第一腿部連結(jié)體作為懸空腿而著地時(shí)的第一腿部連結(jié)體的姿勢(shì)
(根據(jù)第一關(guān)節(jié)角度確定的姿勢(shì))成為基于預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度9ref
(t)的姿勢(shì)。因此，能夠防止由于過去的路面的凹凸等而發(fā)生了變化的第一腿部連結(jié)體的姿勢(shì)被保持而產(chǎn)生的第一腿部連結(jié)體與行走環(huán)境內(nèi)的物體的出乎意料的接觸等。
另外，上述第一方式中的腿部關(guān)節(jié)的一個(gè)例子是可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承設(shè)置在所述腿部連結(jié)體的頂端的腳掌的踝關(guān)節(jié)。另外，腿部關(guān)節(jié)的其他例子是用于使設(shè)置在腳掌上的腳尖部相對(duì)于腳掌基部動(dòng)作的腳尖關(guān)節(jié)。
本發(fā)明的第二方式的腿式移動(dòng)機(jī)器人包括軀體部；多個(gè)腿部連結(jié)體，分別至少具有一個(gè)腿部關(guān)節(jié)并與所述軀體部連結(jié)；驅(qū)動(dòng)部，驅(qū)動(dòng)所述腿部關(guān)節(jié)；以及控制部，控制所述驅(qū)動(dòng)部以使所述腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度的軌跡。這里，在所述多個(gè)腿部連結(jié)體中的作為懸空腿的第一腿部連結(jié)體著落在路面上時(shí)，所述控制部控制所述驅(qū)動(dòng)部以使作為所述第一腿部連結(jié)體的所述腿部關(guān)節(jié)的第一腿部關(guān)節(jié)變?nèi)?，由此使所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度不追隨所述目標(biāo)角度的軌跡而是根據(jù)所述路面的形狀發(fā)生變化。并且，在所述第一腿部連結(jié)體著落在所述路面上之后，所述控制部基于所述第一腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與預(yù)先設(shè)定了的所述目標(biāo)角度的差來修正所述目標(biāo)角度的軌跡，并且通過控制所述驅(qū)動(dòng)部以使所述第一腿部關(guān)節(jié)變硬來使變?yōu)榱酥С型鹊乃龅谝煌炔窟B結(jié)體的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨修正后的所述目標(biāo)角度的軌跡。
如上所述，本發(fā)明的第二方式的腿式移動(dòng)機(jī)器人也基于在使腿部關(guān)節(jié)變?nèi)岬臓顟B(tài)下使腿部連結(jié)體著地時(shí)產(chǎn)生的腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與作為控制目標(biāo)的目標(biāo)角度的差來修正預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度的軌跡。由此，能夠在為了使效仿路面形狀而發(fā)生了變化的腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨目標(biāo)角度而再次使腿部關(guān)節(jié)變硬了時(shí)，抑制由于腿部關(guān)節(jié)急劇地追隨與實(shí)際角度不同的目標(biāo)角度而導(dǎo)致腿式移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生不穩(wěn)定的舉動(dòng)。
發(fā)明的效果
通過本發(fā)明，在為了使效仿路面形狀而變化了的腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨目標(biāo)角度而再次使腿部關(guān)節(jié)變硬了時(shí)，能夠抑制由于腿部關(guān)節(jié)追隨背離了實(shí)際角度的目標(biāo)角度而導(dǎo)致腿式移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生不穩(wěn)定的舉動(dòng)。


圖l是發(fā)明的實(shí)施方式一的腿式移動(dòng)機(jī)器人的模型圖；圖2是表示發(fā)明的實(shí)施方式一的腿式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的框圖；圖3是表示發(fā)明的實(shí)施方式一的腿式移動(dòng)機(jī)器人的腿部連結(jié)體的著地控制處理的流程圖4A是發(fā)明的實(shí)施方式一的腿式移動(dòng)機(jī)器人的腿部放大圖；圖4B是發(fā)明的實(shí)施方式一的腿式移動(dòng)機(jī)器人的腿部放大圖5是表示發(fā)明的實(shí)施方式一的腿式移動(dòng)機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)角度的時(shí)間變化的圖6A是為了說明在發(fā)明的實(shí)施方式二中使用的參數(shù)的定義而參照的腿式移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)面圖6B是為了說明在發(fā)明的實(shí)施方式二中使用的參數(shù)的定義而參照的腿式移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)面圖7是表示發(fā)明的實(shí)施方式二中的踝關(guān)節(jié)目標(biāo)角度的修正量的圖8A是為了說明發(fā)明的實(shí)施方式二中的踝關(guān)節(jié)目標(biāo)角度的修正的詳細(xì)情況而參照的腿式移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)面圖8B是為了說明發(fā)明的實(shí)施方式二中的踝關(guān)節(jié)目標(biāo)角度的修正的詳細(xì)情況而參照的腿式移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)面圖9是為了說明腳掌與路面的設(shè)置狀態(tài)的變化而參照的腿式移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)面圖。
標(biāo)號(hào)說明
100腿式移動(dòng)機(jī)器人
IO視覺傳感器
ll環(huán)境地圖制作部
12步態(tài)數(shù)據(jù)生成部
13動(dòng)作生成部
14控制部
15執(zhí)行器
16編碼器
122、 128踝關(guān)節(jié)(間距方向)131R、 131L腳掌50路面
51臺(tái)階
BD軀體部
AR右臂部連結(jié)體
AL左臂部連結(jié)體
LR右腿部連結(jié)體
LL左腿部連結(jié)體
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖來詳細(xì)地說明應(yīng)用了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。在各附圖中，對(duì)相同的要素標(biāo)注相同的標(biāo)號(hào)。另外，有時(shí)省略與相同要素相關(guān)的重復(fù)說明。
實(shí)施方式一
本實(shí)施方式的機(jī)器人100是具有兩個(gè)腿部連結(jié)體的腿式移動(dòng)機(jī)器人。首先，參照?qǐng)D1來說明機(jī)器人100的關(guān)節(jié)自由度。圖1是通過關(guān)節(jié)和連結(jié)關(guān)節(jié)之間的連桿來表示機(jī)器人100的模型圖。機(jī)器人100具有頭部101、兩個(gè)腿部連結(jié)體LR和LL、兩個(gè)臂部連結(jié)體AR和AL、以及連結(jié)它們的軀體部BD。
在機(jī)器人100的頭部101設(shè)置有視覺傳感器101，該視覺傳感器101獲取外界的三維的點(diǎn)群數(shù)據(jù)、即距離圖像數(shù)據(jù)。支承頭部101的頸關(guān)節(jié)具有側(cè)傾(roll)方向上的關(guān)節(jié)102、俯仰(pitch)方向上的關(guān)節(jié)103、以及橫擺(yaw)方向上的關(guān)節(jié)103。右臂部連結(jié)體AR具有肩的俯仰方向上的關(guān)節(jié)105、肩的側(cè)傾方向上的關(guān)節(jié)106、上臂的橫擺方向上的關(guān)節(jié)107、肘的俯仰方向上的關(guān)節(jié)108、以及手腕的橫擺方向上的關(guān)節(jié)109，并且在右臂部連結(jié)體AR的末端設(shè)置有手部141R。另外，手部141R的機(jī)構(gòu)根據(jù)保持的物體的形狀、類別等來確定即可，例如可以是具有多個(gè)手指的、具有多個(gè)關(guān)節(jié)和多自由度的構(gòu)造。
左臂部連結(jié)體AL具有與右臂部連結(jié)體AR相同的構(gòu)造。具體地說，左臂部連結(jié)體AL具有五個(gè)關(guān)節(jié)IIO至114，在其末端具有手部141L。右腿部連結(jié)體LR具有腰的橫擺方向上的關(guān)節(jié)118、腰的俯仰方向上 的關(guān)節(jié)119、腰的側(cè)傾方向上的關(guān)節(jié)120、膝的俯仰方向上的關(guān)節(jié)121、腳 踝的俯仰方向上的關(guān)節(jié)122、以及腳踝的側(cè)傾方向上的關(guān)節(jié)123。在踝關(guān) 節(jié)122和123的下部設(shè)置有腳掌131R。
左腿部連結(jié)體IX具有與右腿部連結(jié)體LR相同的構(gòu)造。具體地說， 左腿部連結(jié)體LL具有六個(gè)關(guān)節(jié)124至129，在其末端具有腳掌131L。
軀體部143具有橫擺方向上的關(guān)節(jié)115、側(cè)傾方向上的關(guān)節(jié)116、以 及俯仰方向上的關(guān)節(jié)117。
接下來說明用于使機(jī)器人100行走的控制系統(tǒng)。圖2表示了機(jī)器人 100的控制系統(tǒng)的構(gòu)成例子。在圖2中，如上所述，視覺傳感器10獲取機(jī) 器人100的外界的距離圖像數(shù)據(jù)。具體地說，視覺傳感器10可以是激光 測(cè)距儀等有源距離傳感器。另外，視覺傳感器10也可以包括具有CCD (Charge Coupled Device ，電荷耦合器件)圖像傳感器或CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖 像傳感器等攝像元件的多個(gè)照相機(jī)，并使用通過這多個(gè)照相機(jī)拍攝獲得的 圖像數(shù)據(jù)來生成距離圖像數(shù)據(jù)。具體地說，從通過多個(gè)照相機(jī)拍攝獲得的 圖像數(shù)據(jù)檢測(cè)出對(duì)應(yīng)點(diǎn)并通過立體觀測(cè)(stereoscopic viewing)復(fù)原對(duì)應(yīng) 點(diǎn)的三維位置即可。這里，在對(duì)多個(gè)拍攝圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的搜索中使用采 用了對(duì)多個(gè)拍攝圖像的時(shí)空微分的約束式(constraint expression)的梯度 法或相關(guān)法等公知的方法即可。
環(huán)境地圖生成部11使用距離圖像數(shù)據(jù)來生成與機(jī)器人100所處的環(huán) 境相關(guān)的環(huán)境地圖。環(huán)境地圖例如作為從距離圖像數(shù)據(jù)檢測(cè)出的多個(gè)平面 的集合而被生成。
步態(tài)數(shù)據(jù)生成部12參照由環(huán)境地圖生成部ll制作的環(huán)境地圖來決定 目標(biāo)到達(dá)位置，并生成用于到達(dá)所決定的目標(biāo)到達(dá)位置的步態(tài)數(shù)據(jù)。這 里，步態(tài)數(shù)據(jù)例如包括機(jī)器人100的ZMP軌跡、機(jī)器人100的重心軌 跡、腳掌131R和131L的著地位置的軌跡等。
動(dòng)作生成部13輸入步態(tài)數(shù)據(jù)來執(zhí)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，生成用于實(shí)現(xiàn)步 態(tài)數(shù)據(jù)的各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度的軌跡。這里生成的目標(biāo)角度的軌跡例如包括支承腳掌131R、 131L的俯仰方向上的踝關(guān)節(jié)122、 128的目標(biāo)角度軌跡 歸(t)。
控制部14輸入計(jì)算出的各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度軌跡和通過編碼器16計(jì) 測(cè)出的各個(gè)關(guān)節(jié)的實(shí)際角度來執(zhí)行反饋控制，計(jì)算出用于驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)的 轉(zhuǎn)矩控制值。執(zhí)行器15按照由控制部14計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩控制值來驅(qū)動(dòng)各個(gè) 關(guān)節(jié)，由此使機(jī)器人100執(zhí)行行走動(dòng)作。
另外，如果考慮在機(jī)器人100行走的路面上有可能存在未知的凹凸或 者由于機(jī)器人100自身的撓曲而產(chǎn)生的腿部連結(jié)體LR和LL等的位置誤 差，則難以使機(jī)器人100完全按照預(yù)先計(jì)算出的目標(biāo)角度的軌跡來行走。 因此，機(jī)器人100在使懸空腿側(cè)的腳掌131R或131L著落在路面上時(shí)，預(yù) 先使踝關(guān)節(jié)122或128成為柔軟的狀態(tài)，并通過作用于落在了路面上的腳 掌131R或131L的來自路面的反作用力使踝關(guān)節(jié)角度被動(dòng)地發(fā)生變化。 即，機(jī)器人100在懸空腿著地時(shí)使踝關(guān)節(jié)角度效仿路面形狀。
所謂踝關(guān)節(jié)122和128柔軟的狀態(tài)意味著踝關(guān)節(jié)122和128不追隨預(yù) 先設(shè)定了的目標(biāo)角度0ref (t)、它們的實(shí)際角度根據(jù)與腳掌131R、 131L 接觸的路面的形狀而發(fā)生變化的狀態(tài)。具體地說，減小為了使懸空腿的踝 關(guān)節(jié)122或128追隨目標(biāo)角度而應(yīng)用于控制部14的反饋控制增益來降低懸 空腿的踝關(guān)節(jié)追隨目標(biāo)角度的追隨速度即可。或者，也可以通過限制驅(qū)動(dòng) 懸空腿側(cè)的踝關(guān)節(jié)122或128的執(zhí)行器15的輸出轉(zhuǎn)矩的最大值來降低懸空 腿的踝關(guān)節(jié)追隨目標(biāo)角度的追隨速度。
以下說明為了在使踝關(guān)節(jié)變?nèi)彳浟说臓顟B(tài)下使懸空腿側(cè)的腿部連結(jié)體 的腳掌著落在路面上后將著地了的腿部連結(jié)體變換為支承腿而繼續(xù)行走動(dòng) 作，以控制部14為主體而被執(zhí)行的控制處理。圖3是表示在使懸空腿側(cè) 的腿部連結(jié)體著地時(shí)由控制部14執(zhí)行的控制程序的流程圖。另外，在以 下的說明中，將使處于懸空腿時(shí)期的腿部連結(jié)體LR著地時(shí)作為例子來進(jìn) 行說明。
在步驟S10中，控制部14通過降低對(duì)處于懸空腿時(shí)期的腿部連結(jié)體 LR的踝關(guān)節(jié)122的反饋控制增益來降低踝關(guān)節(jié)122追隨目標(biāo)角度0ref (t)的追隨速度。即，成為踝關(guān)節(jié)122能夠效仿路面形狀而靈活地發(fā)生變200880010502.5 化的狀態(tài)。
在步驟Sll中，在腿部連結(jié)體LR著地完成后，計(jì)算出踝關(guān)節(jié)122的 對(duì)目標(biāo)關(guān)節(jié)軌跡0ref (t)的修正量Al (t)。另外，腿部連結(jié)體LR著地 完成的時(shí)點(diǎn)基于由步態(tài)數(shù)據(jù)規(guī)定的腳掌131R的著地時(shí)點(diǎn)來確定即可。另 外，也可以在腳掌131R上設(shè)置接觸傳感器(未圖示)和力傳感器(未圖 示)，使用它們的檢測(cè)結(jié)果來檢測(cè)腳掌131R的底面與路面的接觸狀態(tài)， 由此來判定著地完成時(shí)點(diǎn)。
在本實(shí)施方式中，通過以下的(1)式來計(jì)算出某時(shí)刻t的修正量Al (t)。在(1)式中，時(shí)刻tO為著地結(jié)束時(shí)點(diǎn)。另外，0real是通過編碼器 16計(jì)測(cè)出的踝關(guān)節(jié)122的實(shí)際角度。g卩，在本實(shí)施方式中，將著地完成時(shí) 點(diǎn)tO的效仿路面形狀而發(fā)生了變化的踝關(guān)節(jié)122的實(shí)際角度0real (t0)與 預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度0ref (t0)的差A(yù)ini作為修正量Al (t)。
Al (t) =Aini=0real (t0) —0ref (t0)…(1)
圖4A表示了在路面50上沒有未知的臺(tái)階、著地完成時(shí)點(diǎn)t0的踝關(guān)節(jié) 122的實(shí)際角度0real (t0)與預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度0ref (t0) —致的理想 的狀態(tài)。另一方面，圖4B表示了在腳掌131R的著地場(chǎng)所存在未知的凸臺(tái) 階51的情況。如圖4B所示，如果在腳掌131R的腳尖側(cè)存在凸臺(tái)階51， 則踝關(guān)節(jié)會(huì)根據(jù)凸臺(tái)階51的形狀而發(fā)生變化。因此，著地完成時(shí)點(diǎn)t0的 踝關(guān)節(jié)122的實(shí)際角度0real (t0)比目標(biāo)角度0ref (t0)小。因此，在圖 4B的情況下，按照(1)式的定義計(jì)算出的差A(yù)ini、即修正量Al (t)為 負(fù)值。
返回到圖3來繼續(xù)進(jìn)行說明。在步驟S12中，控制部14增大踝關(guān)節(jié) 122的控制增益并進(jìn)行控制以使踝關(guān)節(jié)122的實(shí)際角度0real (t)追隨修正 后的目標(biāo)角度0ref—cl (t)。這里，修正后的目標(biāo)角度0ref_cl (t)例如使 用以下的(2)式來計(jì)算即可。使踝關(guān)節(jié)122追隨修正后的目標(biāo)角度 0ref一cl (t)的控制至少在腿部連結(jié)體LR為支承腿的期間持續(xù)執(zhí)行即可。
9 ref一cl (t) = e ref (t) —A1 (t)…(2)
另外，在作為支承腿的腿部連結(jié)體LR再次離開路面而成為了懸空腿 之后在懸空腿期間內(nèi)通過預(yù)定的時(shí)間常數(shù)使得對(duì)目標(biāo)角度0ref (t)的修正量Al (t)收斂為0即可。由此，能夠使再次使腿部連結(jié)體LR著地時(shí)的 腳掌131R的姿勢(shì)成為遵循預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)角度0ref (t)的固定的姿勢(shì)。 由此，根據(jù)路面的凹凸而使其變化了的腳掌131R的修正后的姿勢(shì)在懸空 腿期間中也被保持，從而能夠防止行走環(huán)境內(nèi)的物體與腳掌131R的出乎 意料的接觸。
圖5是表示踝關(guān)節(jié)122的實(shí)際角度0real (t)、目標(biāo)角度0ref (t)、 以及修正后的目標(biāo)角度0ref一cl (t)的關(guān)系的圖。圖5的點(diǎn)劃線表示了實(shí) 際角度6real (t)的時(shí)間變化，圖5的虛線表示了目標(biāo)角度0ref (t)的軌 跡。另外，圖5的實(shí)線表示了修正后的目標(biāo)角度&ef一cl (t)的軌跡。
在圖5中，當(dāng)腿部連結(jié)體LR處于懸空腿時(shí)期時(shí)，進(jìn)行控制以使實(shí)際 角度0real (t)追隨預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度0ref (t)。接著，當(dāng)觀察使腿 部連結(jié)體LR著地的著地期間時(shí)，由于踝關(guān)節(jié)122成為柔軟的狀態(tài)，因此 實(shí)際角度0real (t)根據(jù)路面形狀而發(fā)生變化。因此，實(shí)際角度0real (t) 背離了目標(biāo)角度0ref (t)。然后，當(dāng)經(jīng)過了腿部連結(jié)體LR著地完成的時(shí) 點(diǎn)tO時(shí)，腿部連結(jié)體LR成為支承腿，因此踝關(guān)節(jié)122成為硬的狀態(tài)。由 此，踝關(guān)節(jié)122追隨修正后的目標(biāo)角度&ef一cl (t)。另外，在踝關(guān)節(jié)122 開始追隨修正后的目標(biāo)角度0ref一cl (t)的開始時(shí)點(diǎn)t0，實(shí)際角度0real (t0)與修正后的目標(biāo)角度0ref—cl (t)連續(xù)。
如上所述，本實(shí)施方式的機(jī)器人100使踝關(guān)節(jié)122變?nèi)岫鼓_掌131R 著地。然后，在使腳掌131R著地后，當(dāng)為了使效仿路面形狀而發(fā)生了變 化的踝關(guān)節(jié)122的實(shí)際角度追隨目標(biāo)角度而使踝關(guān)節(jié)122變硬時(shí)，通過 (1)式所示的修正量Al (t)來修正使踝關(guān)節(jié)122追隨的目標(biāo)角度0ref (t)。由于修正后的目標(biāo)角度0ref—cl (t)在使踝關(guān)節(jié)122變硬的開始時(shí) 點(diǎn)t0與實(shí)際角度0real (t0)連續(xù)，因此不會(huì)由于踝關(guān)節(jié)122急劇地發(fā)生變 化而導(dǎo)致機(jī)器人100產(chǎn)生不穩(wěn)定的舉動(dòng)。即，本實(shí)施方式的機(jī)器人100能 夠抑制由于踝關(guān)節(jié)122急劇地追隨與實(shí)際角度0real (t0)不同的當(dāng)初的目 標(biāo)角度&ef (t0)而產(chǎn)生不穩(wěn)定的舉動(dòng)。
實(shí)施方式二
在上述發(fā)明的實(shí)施方式一中，使與目標(biāo)角度0ref (t)相加的修正量發(fā)生了變化的實(shí)際角度0real (t0)而確定 的恒定值A(chǔ)ini。當(dāng)差A(yù)ini正確地表示出路面形狀時(shí)，使用通過(1)式確 定的修正量Al (t)而進(jìn)行的對(duì)目標(biāo)角度^ef (t)的修正是恰當(dāng)?shù)?。?是，腿部連結(jié)體LR的著地例如是在0.1秒左右的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象， 因此考慮有時(shí)難以在行走中始終計(jì)算出正確的實(shí)際角度0real (t0)和差 Aini。另外，如圖9所示，在以下情況下也使用差A(yù)ini來修正目標(biāo)角度 0ref (t)是不妥當(dāng)?shù)脑谀_掌131R的著地完成、決定了差八ini之后的腿 部連結(jié)體LR成為支承腿的期間內(nèi)，腳掌131R的底面與路面50的接觸狀 態(tài)發(fā)生了變化。
因此，為了進(jìn)一步提高機(jī)器人100的行走穩(wěn)定性，本實(shí)施方式的腿式 移動(dòng)機(jī)器人通過以下的(3)式來計(jì)算出對(duì)目標(biāo)角度0ref (t)的修正量A2 (t)。
A2 (t) =Aini+A0 (t)…(3)
這里，A0是軀體部BD的姿勢(shì)角的實(shí)際角度0 real (t)與目標(biāo)角度 0ref (t)的差。圖6A和圖6B表示了目標(biāo)角度0ref (t)、實(shí)際角度0 real (t)、以及差A(yù)0 (t)的關(guān)系。如圖6A所示，目標(biāo)角度0ref (t)是為了 在已知的路面50上行走而預(yù)先計(jì)劃的軀體部BD的姿勢(shì)角軌跡。這里，關(guān) 于0ref (t)，將重力方向作為原點(diǎn)，將從重力方向前傾的方向作為正方 向，將從重力方向后傾的方向作為負(fù)方向。另一方面，0real (t)是軀體 部BD的姿勢(shì)角的實(shí)際角度。軀體部BD的姿勢(shì)角的實(shí)際角度0 real (t) 例如通過陀螺傳感器(未圖示)來檢測(cè)即可。當(dāng)存在圖6B所示的未知的 凸臺(tái)階51等外部干擾因素時(shí)，在實(shí)際角度0real (t)與目標(biāo)角度0ref (t) 之間會(huì)產(chǎn)生偏差。該偏差為差A(yù)0 (t)，通過以下的(4)式來定義。
△0 (t) =0real (t) —0ref (t)…(4)
圖7表示了 (3)式所示的修正量A2 (t)的時(shí)間變化的一個(gè)例子。圖 7中的實(shí)線所表示的圖為修正量A2 (t)。即，在本實(shí)施方式中，計(jì)算出 時(shí)刻tO的Aini，并在增大了控制增益以使踝關(guān)節(jié)122變硬之后，使與軀體 部BD的絕對(duì)座標(biāo)相對(duì)的姿勢(shì)角的實(shí)際角度0 real (t)與目標(biāo)角度0ref (t)的差A(yù)0 (t)反映在對(duì)踝關(guān)節(jié)角度的修正量上。量A2 (t)修正了的目標(biāo)角度6ref—c2 (t)通 過以下的(5)式來表示。即，當(dāng)軀體部BD比目標(biāo)角度前傾時(shí)，向軀體部 BD后傾的方向修正踝關(guān)節(jié)的目標(biāo)角。相反，當(dāng)軀體部BD比目標(biāo)角度后 傾時(shí)，向軀體部BD前傾的方向修正踝關(guān)節(jié)的目標(biāo)角。 9 ref一c2 (t) = 6 ref (t) +A2 (t)
=9ref一cl (t) +A0 (t)…(5) 如果對(duì)比在發(fā)明的實(shí)施方式一中采用的踝關(guān)節(jié)122的目標(biāo)角6ref—cl (t)和在本實(shí)施方式中采用的目標(biāo)角eref—c2 (t)，則如圖8A和圖8B 所示。圖8A所示的側(cè)面圖表示了踝關(guān)節(jié)122追隨目標(biāo)角9ref—cl (t)、 但是由于Aini有誤差而產(chǎn)生了姿勢(shì)角差A(yù)0的狀態(tài)。這樣，如果9reflcl (t)包含了誤差，則接下來著地的腿部連結(jié)體LL的腳掌131L相對(duì)于路 面50的高度有可能產(chǎn)生偏差。 一旦產(chǎn)生了這樣的高度偏差，則著地的定 時(shí)(timing)會(huì)偏離預(yù)定時(shí)刻，并且腳掌131L著地時(shí)的沖擊變大。因此， 變?yōu)椴环€(wěn)定的行走動(dòng)作。
另一方面，圖8B所示的側(cè)面圖表示了通過使姿勢(shì)角的偏差A(yù)0 (t)反 映在踝關(guān)節(jié)的目標(biāo)角6ref_c2 (t)上而使踝關(guān)節(jié)122追隨目標(biāo)角9 ref—c2 (t)的狀態(tài)。這樣，通過反映出姿勢(shì)角的偏差A(yù)0 (t)來修正踝關(guān)節(jié)的目 標(biāo)角，能夠抑制接下來著地的腿部連結(jié)體LL產(chǎn)生位置誤差，從而能夠使 行走動(dòng)作穩(wěn)定。
另外，本實(shí)施方式的腿式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和使懸空腿著地時(shí)的全部 控制程序除了在控制部14的腿部連結(jié)體的著地控制中使用上述修正量A2 (t)這一點(diǎn)以外與上述發(fā)明的實(shí)施方式一相同。 其他實(shí)施方式
在上述實(shí)施方式一和二中，為了簡(jiǎn)化說明而對(duì)俯仰方向上的踝關(guān)節(jié) 122和128的控制進(jìn)行了詳細(xì)的說明。但是，勿庸置疑，除了俯仰方向上 的關(guān)節(jié)122和128以外，還可以將本發(fā)明應(yīng)用在側(cè)傾方向上的踝關(guān)節(jié)123 和129的控制上。另外，不限于踝關(guān)節(jié)，本發(fā)明也可以應(yīng)用在對(duì)膝關(guān)節(jié)等 其他的腿部關(guān)節(jié)的控制上。另外，在實(shí)施方式一和二中說明了腳掌131R 和131L不具有關(guān)節(jié)的機(jī)器人，但是腳掌131R和131L也可以具有腳尖關(guān)節(jié)。g卩，也可以構(gòu)成為腳掌131R和131L分別被分割為腳掌基部和腳尖
部，腳尖部以能夠經(jīng)由腳尖關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的方式與腳掌基部結(jié)合。在這樣 構(gòu)成的腿式移動(dòng)機(jī)器人中，也可以將本發(fā)明應(yīng)用在對(duì)腳尖關(guān)節(jié)的控制上。
另外，在上述發(fā)明的實(shí)施方式一和二中說明了以下內(nèi)容機(jī)器人100 自身識(shí)別環(huán)境并生成環(huán)境地圖，基于生成的環(huán)境地圖來生成步態(tài)數(shù)據(jù)，并 基于生成的步態(tài)數(shù)據(jù)來生成腿部關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度軌跡。但是，環(huán)境地圖數(shù) 據(jù)、步態(tài)數(shù)據(jù)、以及腿部關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度軌跡數(shù)據(jù)也可以通過從外部輸入
而將其保存在機(jī)器人100中。
另外，本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，勿庸置疑可以在不脫離上述本發(fā) 明的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。
權(quán)利要求
1.一種腿式移動(dòng)機(jī)器人的行走控制方法，所述腿式移動(dòng)機(jī)器人包括多個(gè)腿部連結(jié)體，當(dāng)所述多個(gè)腿部連結(jié)體中的作為懸空腿的第一腿部連結(jié)體著落在路面上時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)所述第一腿部連結(jié)體所具有的第一腿部關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)部以使所述第一腿部關(guān)節(jié)變?nèi)幔纱耸怪湓谒雎访嫔系乃龅谝煌炔窟B結(jié)體的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度不追隨預(yù)先確定了的目標(biāo)角度的軌跡而是根據(jù)所述路面的形狀發(fā)生變化，在所述第一腿部連結(jié)體著落在所述路面上之后，修正所述目標(biāo)角度的軌跡以消除所述第一腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與所述目標(biāo)角度的差，通過控制所述驅(qū)動(dòng)部以使所述第一腿部關(guān)節(jié)變硬來使成為了支承腿的所述第一腿部連結(jié)體的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨修正后的所述目標(biāo)角度的軌跡。
2. 如權(quán)利要求1所述的行走控制方法，其中，通過改變所述第一關(guān)節(jié)追隨所述目標(biāo)角度的追隨速度來改變所述第一關(guān)節(jié)的柔度。
3. 如權(quán)利要求1所述的行走控制方法，其中，通過增減所述驅(qū)動(dòng)部的輸出轉(zhuǎn)矩來改變所述第一關(guān)節(jié)的柔度。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的行走控制方法，其中，通過將使所述第一關(guān)節(jié)變硬時(shí)的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與所述目標(biāo)角度的差和所述目標(biāo)角度相加來修正所述目標(biāo)角度。
5. 如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的行走控制方法，其中，通過將使所述第一關(guān)節(jié)變硬時(shí)的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與所述目標(biāo)角度的差、以及所述第腿部連結(jié)體為支承腿期間的連結(jié)有所述多個(gè)腿部連結(jié)體的所述腿式移動(dòng)機(jī)器人的軀體部的目標(biāo)姿勢(shì)角度與實(shí)際姿勢(shì)角度的差和所述目標(biāo)角度相加來修正所述目標(biāo)角度。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的行走控制方法，其中，在所述第一腿部連結(jié)體再次變?yōu)榱藨铱胀绕陂g后使對(duì)所述目標(biāo)角度的修正量為0。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的行走控制方法，其中， 在所述腿部連結(jié)體的頂端設(shè)置有腳掌， 所述腿部關(guān)節(jié)是可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承所述腳掌的踝關(guān)節(jié)。
8. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的行走控制方法，其中， 在所述腿部連結(jié)體的頂端設(shè)置有腳掌，所述腳掌包括腳掌基部、腳尖部、以及將所述腳尖部可轉(zhuǎn)動(dòng)地與所述腳掌基部結(jié)合的腳尖關(guān)節(jié)，所述腿 部關(guān)節(jié)是所述腳尖關(guān)節(jié)。
9. 一種腿式移動(dòng)機(jī)器人，包括 軀體部；多個(gè)腿部連結(jié)體，分別至少具有一個(gè)腿部關(guān)節(jié)并與所述軀體部連結(jié)； 驅(qū)動(dòng)部，驅(qū)動(dòng)所述腿部關(guān)節(jié)；以及控制部，控制所述驅(qū)動(dòng)部以使所述腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨預(yù)先設(shè)定 了的目標(biāo)角度的軌跡；在所述多個(gè)腿部連結(jié)體中的作為懸空腿的第一腿部連結(jié)體著落在路面 上時(shí)，所述控制部控制所述驅(qū)動(dòng)部以使作為所述第一腿部連結(jié)體的所述腿 部關(guān)節(jié)的第一腿部關(guān)節(jié)變?nèi)?，由此使所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度不追隨所述 目標(biāo)角度的軌跡而是根據(jù)所述路面的形狀發(fā)生變化，在所述第一腿部連結(jié)體著落在所述路面上之后，所述控制部基于所述 第一腿部關(guān)節(jié)的實(shí)際角度與預(yù)先設(shè)定了的所述目標(biāo)角度的差來修正所述目 標(biāo)角度的軌跡，并且通過控制所述驅(qū)動(dòng)部以使所述第一腿部關(guān)節(jié)變硬來使 變?yōu)榱酥С型鹊乃龅谝煌炔窟B結(jié)體的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度追隨修正 后的所述目標(biāo)角度的軌跡。
10. 如權(quán)利要求9所述的腿式移動(dòng)機(jī)器人，其中，所述控制部通過將使所述第一關(guān)節(jié)變硬時(shí)的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度 與所述目標(biāo)角度的差和所述目標(biāo)角度相加來修正所述目標(biāo)角度。
11. 如權(quán)利要求9所述的腿式移動(dòng)機(jī)器人，其中，所述控制部通過將使所述第一關(guān)節(jié)變硬時(shí)的所述第一關(guān)節(jié)的實(shí)際角度 與所述目標(biāo)角度的差、以及所述第腿部連結(jié)體為支承腿期間的連結(jié)有所述多個(gè)腿部連結(jié)體的所述腿式移動(dòng)機(jī)器人的軀體部的目標(biāo)姿勢(shì)角度與實(shí)際姿 勢(shì)角度的差和所述目標(biāo)角度相加來修正所述目標(biāo)角度。
12.如權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的腿式移動(dòng)機(jī)器人，其中，所述控制部在所述第一腿部連結(jié)體再次變?yōu)榱藨铱胀绕陂g后使對(duì)所述目標(biāo)角度的修正量為0。
全文摘要
機(jī)器人(100)所具有的控制部(14)在懸空腿(例如腿部連結(jié)體LR)著落在路面上時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)腿部連結(jié)體LR所具有的踝關(guān)節(jié)(122)的執(zhí)行器(15)以使踝關(guān)節(jié)(122)變?nèi)?，并使踝關(guān)節(jié)(122)的實(shí)際角度不追隨預(yù)先設(shè)定了的目標(biāo)角度而是根據(jù)路面的形狀發(fā)生變化。并且，控制部(14)在腿部連結(jié)體LR著地了之后，修正踝關(guān)節(jié)(122)的目標(biāo)角度的軌跡以消除踝關(guān)節(jié)(122)的實(shí)際角度與目標(biāo)角度的差。另外，控制部(14)通過控制執(zhí)行器(15)以使踝關(guān)節(jié)(122)變硬來使變成了支承腿的腿部連結(jié)體LR的踝關(guān)節(jié)(122)的實(shí)際角度追隨修正后的目標(biāo)角度的軌跡。
文檔編號(hào)B25J5/00GK101646532SQ20088001050
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2008年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者梶間日出輝 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社