专利名称：机器人的步行控制装置和步行控制方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人使用的步行控制装置和步行控制方法，该机器人具有适于像活体一样动作的结构，可提高逼真程度。更具体地说，本发明涉及一种双足步行机器人使用的步行控制装置和步行控制方法，该机器人具有仿真人体机构和直立双足动物如人或类人猿活动的结构。
更准确地说，本发明涉及一种双足步行机器人使用的步行控制装置和步行控制方法，该机器人适于直立双足步行，并使包括躯干、头和臂的身体上半部安装在下肢上。更具体地说，本发明涉及一种机器人使用的步行控制装置和步行控制方法，该机器人能以令人吃惊的真实性仿真包括人的姿势的活动，并依靠其双腿步行而不会失去平衡。
机器人是指利用电和／或磁效应，像人一样行动的机械装置。词语“机器人”被认为起源于斯拉夫语“ROBOTA(辅助机器)”。20世纪六十年代后期，机器人在日本非常普及，但是许多机器人是为工厂自动化和节省人力的目的而设计的工业机器人，包括操纵和搬运机器人。
由于近些年，人们在具有仿真人体机构和直立双足动物如人或类人猿活动结构的双足步行机器人的领域进行了大量研究，并取得了大量的开发成果，人们比以往更希望发现机器人的实际应用。适于直立双足步行(bipedalism)的双足步行机器人具有这样的优点它能够轻轻地行走，跨越障碍物和上下楼梯而不会有任何困难。
然而，这里应该注意双足步行机器人的研究和开发的历史是从研究下肢活动的不同方面开始的，而不针对整个直立的双足动物。
例如，日本公开的专利申请No．3-184782公开了一种适用于与双足步行机器人的躯干以下(from-the-torso-down)相对应的结构的关节。
日本公开的专利申请No．5-305579公开了一种双足步行机器人的步行控制装置。根据上述专利文献的一种步行控制装置适于以这样的方式控制双足步行机器人，即该机器人在地面上行走时，机器人的ZMP(零转矩点)与目标位置一致。零转矩点是由于地面反作用力的作用机器人的转矩为零的地面上的那个点。然而，从上述专利文献的
图1可知产生转矩的躯干24是一种黑色的盒子，该文献仅仅提出双足步行机器人的下肢，而不是一种仿真人的整个机器人。
然而，对于许多研究人员来说，明显双足步行机器人研究和开发的最终目的是实现一种看起来像人，并像人一样行动的结构。更准确地说，双足步行机器人是一种适于直立、双足行走和具有便于依靠其双脚行走的下肢的结构，该结构还具有包括躯干、头和臂(下文简称之为上肢)的上半身以及连接上肢和下肢的躯干部。完美的机器人应该能够接收控制，以便依靠其双脚垂直站立、行走和工作，同时能够根据预定的方案协调地移动上肢，下肢和躯干部。
根据活动和人体结构仿真人的一种双足步行机器人称之为具有人的特点的机器人。这种具有人的特点的机器人能够在不同生活方面帮助我们的日常生活。
双足步行机器人大致可分为工业用机器人和娱乐用机器人。
工业用机器人绝大多数设计成能够在各种不同工业场所代替人，并在制造业、建筑业、发电厂等领域为人类做困难的工作。例如，这类机器人在原子能电厂、热电厂、石化工厂和其它厂代替人作维护工作，在制造工厂和摩天大楼内做各种危险而又困难的工作。因此，将这类机器人设计和制造得便于为特定的应用或功能用特定的方式操作，不过它们靠双脚行走。换句话说，它们不需要具有仿真人体机构和直立双足动物如人或类人猿t活动的结构。例如，它们为了完成特定应用的工作而通过精巧方式的移动可以显示身体特定部分的较高自由度时，与该应用没有直接关系的身体的其它部分如头和腰的自由度可以较低。因此，不可避免，这样的机器人移动起来不方便，显出不特别的协调。
另一方面，娱乐用的机器人比较接近于我们的日常生活，并可以为我们的生活提供帮助，而不适于完成困难工作。换句话说，这类机器人设计成能够仿真直立双足的人和类人猿的身体机构，并能够平稳地移动。由于它们是一种对直立哺乳动物如具有高智商的人和类人猿的仿真，因此它们最好具有丰富的表达。从这种意义上说，它们正是具有人的特点的机器人。
简而言之，尽管娱乐用机器人与工业用机器人共享必要的技术，但它们为实现最终目的的硬件机构，控制活动的方法和软件构成方面相互之间完全不一样。
众所周知，人体具有数量超过数百的关节，因而显示出数百个自由度。虽然如果机器人能完美仿真人的行为，它最好显示出相同的自由度，但为实现如此高的自由度在技术上是非常困难的，因为独立的自由度需要使用一个致动器(actuator)，但是设有数百个致动器的机器人在其制造成本、重量和体积方面完全没有实用价值。此外，具有高自由度的机器人需要大量以指数规律增加的计算，以控制位置、行动和平衡。
总而言之，具有人的特点的机器人必须设计成利用有限自由度就能够仿真人的身体机构。此外，娱乐用的机器人需要以远比人体少的自由度像人一样活动，并表达丰富感情。
此外，尽管适于直立双足的双足步行机器人能够轻轻地行走、跨越障碍物和上下楼梯而没有任何困难，但控制其姿态和行走的操作是困难的，因为它的重心相当高。特别是娱乐用机器人更应该对其姿态和稳定的行走进行控制，以便它能够具有丰富的表达。
同时，根据不仅能够完成工作而且能够表现其感情来看，人或类人猿的“表达”主要依靠包括臂和躯干的上肢的活动。这样的活动称之为“手势”。
在我们的日常生活中，我们站立或行走或靠我们的双脚进行其它移动时，手势几乎经常出现在我们的身体上。此外，整个人体的重心在他或她作手势时就会显著地移动而产生惯性矩。人和类人猿是这样创生的，他们通过自动补偿重心的平衡和惯性矩能够保持站立或行走。
另一方面，具有人的特点的机器人正如上面所指出的那样，需要丰富的表达，因此手势对于它来说是必不可少的。所以，为响应上半身扮演主要角色的手势，机器人需要姿态控制和稳定行走控制。
许多技术已被提出以在姿态和稳定的行走方面来控制双足步行机器人。然而，绝大多数公知的技术是那些适于使机器人的ZMP(零转矩点)与目标位置一致的技术，零转矩点是由于地面反作用力的作用机器人的转矩为零的地面上的那个点。
例如，日本公开的专利申请No．5-305579公开了一种以这样的方式控制的双足步行机器人，即机器人所行走的地面上的机器人的ZMP与目标位置一致。
此外，日本公开的专利申请No．5-305581中的双足步行机器人是这样构成的ZMP位于机器人支撑多面体的内侧或者在机器人的其中一只脚落地或抬离地面时，以一设定的边距处在与支撑多面体端部相分离的位置。利用这样的结构，如果机器人受到外界的干扰，由于其设定距离的安全边距，它能够保持其行走的稳定性。
日本公开的专利申请No．5-305583也公开了一种通过ZMP目标位置控制双足步行机器人行走速度的技术。更具体地说，上述专利文献的双足步行机器人使用了预先选择的行走模式(pattern)数据，机器人的腿关节被驱动以便能够使ZMP与目标位置一致，身体上半部的倾斜度被测定时，预先选择的行走模式数据的发送速率就根据所测定的倾斜度值进行修改。因此，如果机器人意外地行走在波凸不平的地面上，并向前倾斜时，预先选择的行走模式数据的发送速率就会被提高以容许机器人恢复正确的姿态。此外，由于ZMP被控制以便与目标位置一致，所以如果预先选择的行走模式数据的发送速率在机器人靠其双脚站立时进行修改，就不会产生问题。
再者，日本公开的专利申请No．5-305585公开了一种根据ZMP的目标位置控制双足步行机器人任何一只脚落地位置的技术。更具体地说，上述专利文献的双足步行机器人也测定目标位置和ZMP实际测定位置的差，并驱动一条腿或两条腿来消除这种差，或者测定围绕ZMP目标位置的转矩，并驱动腿以使所测定的转矩为零。
此外，日本公开的专利申请No．5-305586描述了一种通过ZMP目标位置控制双足步行机器人的倾斜度的技术。更具体地说，上述专利文献的双足步行机器人测定围绕ZMP目标位置的转矩，如果任意转矩被测定，它就驱动腿以使所测定的转矩为零而保持稳定的行走状态。
除此之外，公知的文献包括“双足步行机器人的数据手册”，(第2版)，教育部资助的综合研究，“关于双足步行机器人的步行和控制的研究”，研究组(1986年2月)，和“适于通过上肢的活动补偿三轴转矩的双足步行机器人的发展”(关于智能移动机器人的第6次研讨会，1992年5月21至22日)都描述了这样一种双足步行机器人，该机器人至少包括驱动上肢的上肢关节和与上肢连接的数个腿关节，适于驱动腿关节以便于行走，其中上肢的步态根据下肢的步态确定(因此由于腿的移动产生的机器人任何不稳定的姿态通过上肢的步态进行校正)。
因此，在机器人的上肢作为主角考虑的地方，上面提出的公知技术不适用于控制机器人行走的姿态和稳定性。换句话说，上述技术在机器人由于外界干扰而不再继续行走时，通过修改其上肢的姿态(和它们随时间变化行动)用于恢复双足步行机器人行走的稳定性。换种说法，这些技术意在当下肢行走时，作为主角时修改机器人的上肢的姿态，以便校正它们由于外界干扰产生的不稳定性，其结果是这些技术忽略了上肢的表达。此外，如果它在上肢作为主角的手势过程中迷失，则上述文献所描述的技术也不能恢复姿态的稳定性。
鉴于上面所提出的技术问题，本发明的一个目的是提供一种步行控制装置和一种步行控制方法，用于有效地控制具有一种适于仿真活体机构和行为的结构的机器人。
本发明的另一个目的是提供一种步行控制装置和一种步行控制方法，用于有效地控制具有一种适于仿真直立双足如人或类人猿的机构和行为的结构的机器人。
本发明的又一个目的是提供一种步行控制装置和一种步行控制方法，用于有效地控制具有适于直立双足行走和与包括躯干、头和臂的上半身相等(amounted with)的下肢的机器人。
本发明的再一个目的是提供一种步行控制装置和一种步行控制方法，用于有效地控制机器人以使行走稳定，并且保持与人一样的行为且表达丰富。
本发明的另一个目的是提供一种步行控制装置和一种步行控制方法，用于有效地控制具有适于直立双足行走和与包括躯干、头和臂的上半身相等的下肢的直立双足行走机器人，以使上半身作为主角时，后者由于手势或其它一些表达作用无论何时迷失，使它能够恢复姿态的稳定性。
本发明的另一个目的是提供一种的步行控制装置和步行控制方法，用于有效地控制直立双足步行机器人，以使它响应上肢的步态(此处使用的术语“步态”是工业技术术语，是指“关节角度的时间序列变化”，其大概意思与“移动模式”相同)，确定下肢的步态。
根据本发明，上述的目的是通过提供一种用于控制至少具有下肢、躯干和腰，并适于双足行走的这类机器人的步行控制装置和步行控制方法实现，所述装置或方法适于通过从任意选择的脚移动模式、ZMP轨迹、躯干移动模式和上肢的移动模式得到腰的移动模式而获得整个身体行走的移动模式。
在本发明的第二个方案中，还提供一种用于控制机器人的步行控制装置或步行控制方法，这类机器人至少具有下肢、躯干和腰，这种装置和方法便于使它能够靠其下肢的双脚移动而使ZMP能到达目标位置，所述装置或方法包括(a)为了实现一种所需的动作而选择脚活动、躯干活动和上肢活动及腰的姿态和高度的设备或步骤；(b)根据所述设备或所述步骤(a)所选择的脚的活动选择ZMP轨迹的设备或步骤；(c)获得腰活动解以平衡通过所述设备或所述步骤(b)所选择的ZMP上的转矩的设备或步骤；(d)根据获得的腰活动解而实现腰活动的设备或步骤。
在本发明的第三个方案中，还提供一种用于控制机器人的步行控制装置和步行控制方法，这类机器人至少具有下肢、躯干和腰，这种装置和方法便于使它能够靠其下肢的双脚移动而使ZMP能到达目标位置，所述装置或方法包括(A)为了实现一所需的动作而选择脚活动、躯干活动和上肢活动及腰的姿态和高度的设备或步骤；(B)根据所述设备或所述步骤(A)所选择的脚的活动而选择ZMP轨迹的设备或步骤；(C)获得腰活动近似解以平衡用非精确模型(non-strict model)通过所述设备或所述步骤(B)所选择的ZMP上的转矩的设备或步骤；(D)获得腰活动近似解以平衡用非精确模型通过所述设备或所述步骤(B)所选择的ZMP上的转矩的设备或步骤；(E)在所述设备或所述步骤(C)中获得的近似解和所述设备或所述步骤(D)中获得的近似解之间的差小于一预先设定的容许值时最终确定腰活动解的设备或步骤；(F)在所述设备或所述步骤(C)中获得的近似解和所述设备或所述步骤(D)中获得的近似解之间的差不小于一预先设定的容许值时修改非精确模型的ZMP的转矩并将该修改值输入至所述设备或步骤(C)中的设备或步骤；(G)根据获得的腰活动解而实现腰活动的设备或步骤。
为了实现本发明的目的，根据本发明第三个方案的步行控制装置或步行控制方法中的非精确模型是机器人的线性和／或不干扰多质点近似模型。另一方面，根据本发明第三个方案的步行控制装置或步行控制方法中的精确模型(strict model)是刚体模型或非线性和／或干扰多质点系统的近似模型。
根据本发明第三个方案的一种步行控制装置或步行控制方法还包括(C＇)在躯干的选择活动和上肢的选择活动，不能通过用非精确模型获得腰活动的近似解的任何一种合适的所述设备或所述步骤(C)而获得的近似解实现时，重选／修改躯干活动的模式和上肢活动的模式的设备或步骤。
为了实现本发明的该目的，根据本发明第三个方案的一种步行控制装置或步行控制方法，通过非精确模型获得腰活动的近似解的设备或步骤(C)是通过解脚、躯干和上肢活动产生所选择ZMP上的转矩和腰水平面活动产生所选择ZMP上的转矩的平衡方程，获得腰活动的近似解的任何一种合适的设备或步骤。
替代地，通过非精确模型获得腰活动的近似解的所述设备或所述步骤(C)是用计算的频率函数代替时间函数的任何一种合适的设备或步骤。
再换句话说，通过非精确模型获得腰活动的近似解的所述设备或所述步骤(C)是通过将傅里叶级数展开用于脚、躯干和上肢活动产生所选择ZMP上的转矩，还用于腰的水平面轨迹来计算确定腰水平面轨迹的傅里叶系数，并且另外通过应用逆傅里叶级数展开式获得腰活动的近似解的任何一种合适的设备或步骤。
在本发明的第四个方案中，还提供一种用于控制机器人的步行控制装置和步行控制方法，这类机器人具有设置了许多关节以表达上半身动作的上半身，和至少具有腿关节以实现步行动作的下半身，适于稳定行走的下半身的步态根据上半身的步态确定。
因此，根据本发明的步行控制装置或步行控制方法能够实现机器人腰的活动，该机器人根据除了脚活动之外的躯干活动和上肢活动的选择模式适于稳定行走。躯干的活动和上肢的活动对应于上半身的步态，该步态是一种包括使用上半身的手势的表达动作。
因此，根据本发明，无论机器人是垂直站立还是行走，机器人都能够确定下肢的步态以实现稳定的行走。特别是，如果机器人在垂直站立时使用包括上肢和躯干的上半身作手势，它就能够响应于上半身的步态确定下肢的步态以便作稳定的行走。
根据本发明，提供一种能够有效地控制机器人的步行控制装置和步行控制方法，该机器人具有适于仿真活体机构和行为的结构。
此外，根据本发明，还提供一种能够有效地控制双足步行机器人的步行控制装置和步行控制方法，该机器人具有适于仿真直立双足如人或类人猿的机构和行为的结构。
此外，根据本发明，还提供一种能够有效地控制直立双足步行机器人的步行控制装置和步行控制方法，该机器人具有适于直立双足行走和与包括躯干、头和臂的上半身相当的下肢。
此外，根据本发明，还提供一种能够有效地控制机器人的步行控制装置和步行控制方法，以使它能够稳定地行走和保持与人一样的行为且表达丰富。
此外，根据本发明，它还提供一种能够有效地控制直立双足步行机器人的步行控制装置和步行控制方法，该机器人具有适于直立双足行走和与包括躯干、头和臂的上半身相当的下肢，这种装置和方法便于在使上半身作为主角的情况下，后者由于手势或其它一些表达的作用而在无论何时迷失时，能够恢复姿态的稳定性。
而且，根据本发明，现在能够提供一种适于直立双足行走，被设计成产生腰活动模式以产生从躯干向下(或从腰向下)的下半身相应的稳定活动的模式的机器人。因此，如果机器人的姿态由于如上半身作手势的表达失去稳定性时，则其姿态的稳定性可以通过下半身的合适活动恢复。
在每个下肢具有六个自由度的双足步行机器人的情况下，每条腿的姿态明确地由相应脚的位置和相应腰的高度确定。换句话说，腰活动模式的产生意味着腿的姿态和由此产生的下肢的步态就通过它而被确定。因而，对于根据本发明的步行控制装或步行控制方法来说，能够响应于上半身步态确定适于稳定双足行走的下半身步态。
图1是用于本发明具有人特点的机器人100的正透视示意图。
图2是图1的具有人特点的机器人的后透视示意图。
图3是图1的具有人特点的机器人100的示意图，表示用于机器人的自由度的模型。
图4是适用于本发明具有人特点的机器人100的示意图，表示其控制系统。
图5是适用于具有人特点的机器人100以便于控制其行走的线性和不干扰多质点的近似模型的示意图。
图6是根据本发明控制具有人特点的机器人100行走的操作程序的流程图。
图7是根据本发明控制适用于具有人特点的机器人100稳定行走的腰活动的另一个操作程序的流程图。
图8是图5多质点模型的放大透视示意图，表示其腰及附近部位。
图9是具有人特点的机器人的示意图，表示它的关节模型的结构图。
图10是具有人特点的另一个机器人的示意图，表示它的关节模型的结构图。
现在，将通过参照解释本发明最佳实施例的附图更详细地描述本发明。
图1和2是适用于本发明具有人特点的机器人100的透视示意图，分别表示前视图和后视图。图3是图1具有人特点的机器人100的示意图，表示适用于它的自由度的模型。
如图3所示，具有人特点的机器人100包括含一对臂和头部1的上半身，含实现行走动作的一双腿的下半身以及连接上肢和下肢的躯干。
支撑头部1的颈关节具有颈关节摇摆轴2、颈关节节距轴3和颈关节滚动轴4三个自由度。
每个上肢包括一肩关节节距轴8、一肩关节滚动轴9、一上臂摇摆轴10、一肘关节节距轴11、一前臂摇摆轴12、一腕关节节距轴13、一腕关节滚动轴14和一只手15。事实上，人的手15是一个复合关节，且具有许多手指的复合自由度的结构。然而，由于手15的动作几乎未对具有人特点的机器人100的姿态控制和步行控制施加任何影响，因此，这里假设它具有零自由度。所以，每个上肢具有七个自由度。
躯干具有躯干节距轴5、躯干滚动轴6和躯干摇摆轴7三个自由度。
每个下肢包括一臀关节滚动轴16、一臀关节节距轴17、一臀关节滚动轴18、一膝关节节距轴19、一踝关节节距轴20和一踝关节滚动轴21及一只脚22。为了实现本发明的目的，臀关节节距轴17和臀关节滚动轴18的交叉点限定臀关节的位置。事实上，虽然人的脚22是一个复合关节和包括脚底的复合自由度的结构，但具有人特点的机器人100的脚底对于实现本发明的目的来说具有零自由度。因此，每个下肢具有六个自由度。
总的来说，本实施例的具有人特点的机器人100具有3+7×2+3+6×2=32个自由度。然而必须注意，设计成娱乐用的具有人特点的机器人100的自由度绝不限于32个。不用说，自由度和机器人的关节数应该根据特别的设计和制造过程中的各种限制和需求适当地确定。
具有人特点的机器人100的自由度事实上通过安装在机器人上的许多致动器实现。从机器人是一个不稳定的双足结构的观点来看，这些致动器最好小而轻，尽管它看起来像人和具有人一样的特点，但还需要精确的姿态控制。为了实现本实施例的目的，在这类小AC伺服致动器中，齿轮直接连接，伺服控制系统以包含在电动机单元中的单片形式实现。必须注意这样的AC伺服致动器是人们公知和描述了的，例如日本公开的专利申请No．11-33386，它被转让给本专利申请的申请人。
图4是适用于本发明具有人特点的机器人100的简略示图，表示其控制系统。如图所示，具有人特点的机器人100包括与人体各部分相对应的机械单元30、40、50R／L和60R／L，和以协调方式控制机械单元的控制单元80(这里使用的R和L分别表示右和左后缀)。
具有人特点的机器人100的整体活动通过控制单元80控制。控制单元80包括一包含CPU(中央处理单元)、存储器和其它主要电路元件(未图示)的主控制单元81和一包含电源电路(未图示)和用于在相关电路元件之间交换数据和指令的接口(未图示)的外围电路82。
为了实现本发明的该目的，控制单元80可以安装在任何合适的位置。在图4中它安装在躯干单元40中，可替代地安装在头部单元30中。控制单元80还可替代地安装在机器人100的外部，以便它通过有线或无线通信信道与机器人100的主体进行通信。
图3所示的机器人100每个关节的自由度通过许多相应的致动器实现。更具体地说，头部单元30分别为颈关节摇摆轴2、颈关节节距轴3和颈关节滚动轴4设有颈关节摇摆轴致动器A2、颈关节节距轴致动器A3和颈关节滚动轴致动器A4。
另一方面，躯干单元40分别为躯干节距轴5、躯干滚动轴6和躯干摇摆轴7设有躯干节距轴A5、躯干滚动轴A6和躯干摇摆轴A7。
同时，包括上臂单元51R／L、肘关节单元52R／L和前臂单元53R／L的每个臂单元50R／L分别为肩关节节距轴8、肩关节滚动轴9、上臂摇摆轴10、肘关节节距轴11、肘关节滚动轴12、腕关节节距轴13和腕关节滚动轴14设有肩关节节距轴致动器A8、肩关节滚动轴动器A9、上臂摇摆轴动器A10、肘关节节距轴动器A11、肘关节滚动轴动器A12、腕关节节距轴动器A13和腕关节滚动轴动器A14。
包括大腿单元61R／L、膝单元62R／L和小腿单元63R／L的每个腿部单元60R／L分别为臀关节摇摆轴16、臀关节节距轴17、臀关节滚动轴18、膝关节节距轴19、踝关节节距轴20和踝关节滚动轴21设有臀关节摇摆轴致动器A16、臀关节节距轴致动器A17、臀关节滚动轴致动器A18、膝关节节距轴致动器A19、踝关节节距轴致动器A20和踝关节滚动轴致动器A21。
提供给各自关节的致动器A2，A3…。最好是齿轮直接连接的小ACY伺服致动器，该伺服控制系统以包含在电动机单元中的单片形式实现。
包括头部单元30、躯干单元40、臂单元50R／L和腿部单元60R／L的机械单元设有驱动／控制它们相应致动器的各自辅助控制部35、45、55R／L和65R／L。此外，该机器人还设有落地确认传感器91和92，以测定左右腿部单元60R／L的一个或两个脚底是否落地，姿态传感器93安装在躯干单元40中，以测定机器人的姿态。
主控制部80能够响应于传感器91至93的输出准确地控制辅助控制部35、45、55和65，从而使具有人特点的机器人100能够协调地移动其上肢、躯干和下肢。主控制部81选择脚的活动，ZMP(零转矩点)轨迹、躯干的活动、上肢活动和腰的高度，并将选择的这些活动所需的指令转移到辅助控制部35、45、55和65。当接收到这些指令时，辅助控制部响应于它们从主控制部81接收到的指令，输出驱动控制信号给各自的致动器A2，A3…。此处所用术语“ZMP”是指机器人的转矩由于地面反作用力的作用等于零的地面上的那个点。用表述“ZMP轨迹”是指机器人100行走时，ZMP沿其移动的轨迹。
对于本实施例来说，物理上具有如图3所示的自由度的、具有人特点的机器人100用一多质点近似模型代替，以计算控制机器人的步行。具有人特点的机器人100是一个无限连续质点的集合，为控制机器人步行所需的计算量通过用一包括有限和离散质点的近似模型代替它就能减少。
图5是适用于具有人特点的机器人100以便实现本实施例的目的而控制其行走的线性和不干扰多质点模型的示意图。
参考图5，O-XYZ坐标系表示绝对坐标系中的滚动轴、节距轴和摇摆轴，而O＇-X＇Y＇Z＇坐标系表示和机器人100一起移动的移动坐标系中的滚动轴、节距轴和摇摆轴。在图5所示的多质点模型情况下，i表示第i个质点。因此，mi表示第i个质点的质量，ri’表示第i个质点的位置矢量(在移动坐标系中)。对于控制腰活动非常重要的腰质点的质量如下文将讨论的那样用mh表示，它的位置矢量用rh’(rhX’，rhY’，rhZ’)表示，而ZMP的位置矢量用rZMP’表示。
在图5的非精确多质点近似模型的情况下，转矩的公式是以线性方程形式描述的，因此不会妨碍节距轴和滚动轴。
这样的多质点近似模型可以以如下概述的方式形成。
(1)确定整体机器人100的质量分布。
(2)选择质点。质点可以根据设计者的输入进行人工选择或根据预先设定的规则进行自动选择。
(3)确定每个区域i(质点)轨迹的重心，将轨迹的重心和质量mi规定为质点。
(4)将每个质点mi表示为具有中心在质点ri和半径与其质量成比例的一球体。
(5)连接球体，或质点，事实上它们也是被连接的。
一多质点模型以金属丝框架的形式表示机器人。在图5所示的多质点近似模型中，肩、肘、腕、躯干、腰和踝被选为磁带点(magnetic tape point)。
在图5多质点近似模型的腰部信息中，转动角(θhX，θhY，θhZ)根据滚动轴，节距轴和摇摆轴限定了具有人特点的机器人100的腰部的姿态(见图8，它是图5多质点模型的放大透视示意图，表示其腰及其附近部位)。
现在，将在下面讨论本实施例的具有人特点的机器人100的控制步行的操作。
机器人通常设计成这样它的关节或致动器根据它实际移动前事先产生的一移动模式以控制方式被驱动。在本实施例的机器人100的情况下，容许机器人稳定行走的腰活动模式是在能被任意选择的脚活动模式，ZMP轨迹，躯干活动模式，上肢活动模式和其它模式的基础上而形成的。此处所用的ZMP是指机器人一只脚的脚底被刚性地固定于地面上而在机器人行走时不会产生任何转矩的那个点。
在双足步行机器人的情况下，其每条腿具有六个自由度(见图3)，腿的姿态明确地由脚22R／L的位置和腰的水平位置和高度限定。因此，腰活动模式的产生事实上是腿姿态或下肢“步态”的选择(这里所用的术语“步态”是技术术语，是指关节角度的时间序列变化”，其大概意思与“移动模式”相同)。
图6是根据本发明控制具有人特点的机器人100行走的操作程序的流程图。必须注意机器人100每个关节的活动和位置下文中通过使用图5的线性和不干扰多质点近似模型及下面列举的参数描述。注意，带短线(＇)的符号描述移动坐标系。mh腰部质点的质量 腰部质点的位置矢量mi第i个质点的质量 第i个质点的位置矢量 ZMP的位置矢量 重力加速度矢量O＇-X＇Y＇Z＇移动坐标系(与机器人一起移动)O-XYZ绝对坐标系H=r’hz+rqz这里假设机器人100的腰部具有一恒定的高度(r＇hz+rqz=常量)，每个膝的质点等于零。
图6的操作程序是在用户指令输入，以便机器人进行动作时开始，这里的动作可以是行走活动或手势。由用户指令指定的机器人100的动作，可以是在机器人垂直站立时使用上肢和躯干的手势、靠双脚行走或在机器人靠双脚行走时使用上肢和躯干的手势。
这样的用户指令经过主控制部81和模式进行译码以确定包括ZMP轨迹、躯干的活动、上肢的活动、由脚活动(更准确地说是脚底活动)获得的腰部的姿态和高度以及腿的活动的每个部件的情况和活动(步骤S11)。更具体地说，脚移动的模式、ZMP轨迹、躯干移动的模式和上肢移动的模式被选择。注意腰部活动仅根据Z＇方向选择，与X和Y方向无关。
接着，在由于脚、躯干和上肢活动而产生的被选择的ZMP上的围绕节距轴的转矩和围绕滚动轴的转矩(mx，my)通过使用线性和不干扰多质点近似模型计算确定(步骤S12)。
接着，在由于腰部水平面活动(rhx′，rhy＇)而产生的被选择的ZMP上的转矩也通过使用线性和不干扰多质点近似模型计算确定(步骤S13)。
此后，在被选择的ZMP上转矩的平衡公式在与机器人一起移动的移动坐标系O＇-X＇Y＇Z＇中获得(步骤S14)。更具体地说，由于脚、躯干和上肢的活动产生的转矩(mx，my)作为已知变量项用在右侧，腰部水平面活动(rhx，rhy)的项作为未知变量项放在左侧以便在下面获得线性和不干扰ZMP的方程式(1)。+mhH(rhx+rqx+gx)px-mhgz(r＇hx-r＇zmpx)=-MY(t)-mhH(rhy+rqy+gy)+mhgz(r＇hy-r＇zmpy)=-Mx(t)…(1)然而，必须注意这里假定下面的方程式是成立的。 =0r＇hz+rqz=常量(就时间而言)接着，腰部的水平面轨迹通过解ZMP方程式(1)计算获得(步骤S15)。例如，ZMP方程式(1)通过使用已知方法如Euler(欧拉)方法或Runge／Kutta方法求解，以得到用未知变量表示的腰部水平绝对位置(rhx，rhy)的数值解(步骤S16)。这里获得的数值解是容许机器人以稳定方式行走的腰部活动模式的近似解，它表示容许ZMP到达目标位置的腰部的水平绝对位置。在脚底落地时，ZMP的目标位置通常在脚底上(on the sole)选择。
如果躯干和上肢的预先选择的活动不能通过计算活动的近似解实现，躯干和上肢的活动模式被重选或修改(步骤S17)。此时每个膝的轨迹也可以通过计算确定。
接着，用如上所述方式获得的整个身体移动的模式用于代入以便计算确定精确模型(包括刚性体或大量机器人100的质点)所选择ZMP上的转矩(eMx，eMy)(步骤S18)。对于非精确模型来说假设[数学表达式3]的方程式成立，而精确模型就不需要这样的假设(因此后者的方程式就不必是时间的常量)。
精确模型的转矩(eMx，eMy)表示由于腰部活动产生的转矩误差。然后，在下一步骤的步骤S19中，确定转矩(eMx，eMy)是否小于非精确模型近似转矩的各自容许值(εMx，εMy)。如果它们小于各自的容许值，就意味着对于腰部稳定活动的模式来说，能够获得精确解答，因此对于机器人的稳定行走来说就能获得整个身体活动的模式(步骤S20)，以便终止执行程序。
另一方面，如果转矩(eMx，eMy)不小于非精确模型近似转矩的各自容许值(εMx，εMy)，近似模型所产生的转矩通过使用精确模型的转矩(eMx，eMy)(步骤S21)进行修改，以再次获得线性和不干扰ZMP的方程式。上述腰部移动模式的近似解的计算确定和随后的修改将被重复进行直到发现转矩小于各自的容许值为止。
简而言之，对于图6的操作程序来说，适于稳定行走的腰部活动除了脚活动之外根据躯干和上肢活动所选择的模式也能实现。躯干的活动和上肢的活动对应于包括手势，或机器人100上半身的“步态”的动作。在每条腿具有六个自由度的双足步行机器人100的情况下(见图3)，由于腿的姿态或下肢的“步态”明确地受到脚22R／L的位置和腰部的水平位置和高度的限定，所以腰部移动模式的产生就意味着确定下肢的“步态”。
因此，对于本实施例的适于直立双足行走的双足步行机器人100来说，能够很好地确定下肢的步态，以便稳定行走而不管机器人是垂直站立或是靠双脚行走。
特别是，在机器人100垂直站立而它通过使用上肢和躯干作手势时，能够确定适于随后稳定行走的下肢的步态(和校正上半身不平衡的情况)。换句话说，上半身作为主角时由于手势作用失去的姿态稳定性通过确定根据腰部水平位置限定的步态就能被适当地恢复。
图7是根据本发明控制适用于具有人特点的机器人100稳定行走的腰活动的另一个操作程序的流程图。必须注意机器人100每个关节的活动和位置在此下文中也通过使用线性和不干扰多质点近似模型作描述。
图7的操作程序是在用户指令输入以便机器人进行动作时开始，该动作可以是行走活动或一个手势。由用户指令发出的机器人100的动作可以是在机器人垂直站立时使用上肢和躯干的手势、靠双脚行走或在机器人靠双脚行走时使用上肢和躯干的手势。
这样的用户指令经过主控制部81和模式进行译码，以确定包括ZMP轨迹、躯干的活动、上肢的活动、由脚活动(更准确地说是脚底活动)获得的腰部的姿态和高度以及腿的活动的每个部件的情况和活动(步骤S31)。更具体地说，脚移动的模式、ZMP轨迹、躯干移动的模式和上肢移动的模式被选择。注意腰部活动仅根据Z＇方向选择，与X＇和Y＇方向无关。
接着，在由于脚、躯干和上肢活动而产生的被选择ZMP上的围绕节距轴的转矩和围绕滚动轴的转矩(mx，my)通过使用线性和不干扰多质点近似模型计算确定(参考上面的描述和图5)(步骤S32)。
接着，腰部水平面活动(rhx′，rhy′)经过傅里叶级数展开(步骤S33)。正如本领域的熟练技术人员所知，由于傅里叶级数展开时间轴分量可以用频率分量代替。换句话说，腰部的活动可表达为周期性移动。此外，因为应用了FFT(快速傅里叶变换)，本实施例的计算速度能够显著提高。
接着，在所选择ZMP上绕节距轴和滚动轴的转矩(mx，my)也经过傅里叶级数展开(步骤S34)。
接着，确定腰部水平面轨迹的傅里叶系数并进行逆傅里叶级数展开(步骤S35)，以获得腰部活动的近似解(步骤S36)。这里获得的数值解是容许机器人以稳定方式行走的腰部活动模式的近似解，它表示容许ZMP到达目标位置的腰部的水平绝对位置。在脚底落地时，ZMP的目标位置通常在脚底上选择。
如果躯干和上肢的预先选择的活动不能通过计算活动的近似解而实现，重选或修改躯干和上肢的活动模式(步骤S37)。此时每个膝的轨迹也可以计算确定。
接着，用如上所述方式获得的整个身体移动模式用于代入(used forsubstitution)，以便计算确定精确模型(包括刚性体或机器人100大量的质点)所选择ZMP上的转矩(eMx，eMy)(步骤S38)。对于非精确模型来说，假设[数学表达式3]的方程式成立，而精确模型就不需要这样的假设(因此后者的方程式就不必是时间的常量)。
精确模型的转矩(eMx，eMy)表示由于腰部活动产生的转矩误差。然后，在步骤S39的下一步骤中，确定转矩(eMx，eMy)是否小于非精确模型近似转矩的各自容许值(εMx，εMy)。如果它们小于各自的容许值，就意味着对于腰部稳定活动的模式来说能够获得精确解，因此对于机器人的稳定行走来说就能获得整个身体活动的模式(步骤S40)以便终止执行程序。
另一方面，如果转矩(eMx，eMy)不小于非精确模型近似转矩的各自容许值(εMx，εMy)，近似模型所产生的转矩通过使用精确模型的转矩(eMx，eMy)(步骤S41)进行修改以再次进行傅里叶级数展开。上述腰部移动模式的近似解的计算确定和随后的修改将被重复进行直到发现转矩小于各自的容许值为止。
很明显对于本领域的熟练技术人员来说，适于稳定行走的腰部活动通过下面图7的操作程序能够实现。特别是，周期性活动通过使用傅里叶级数展开而不依靠获得ZMP数值解的方法就能被迅速确定。此外，计算速度通过使用FFT(快速傅里叶变换)而得到显著地提高。
躯干的活动和上肢的活动对应于包括手势，或机器人100上半身的“步态”的动作。在每条腿具有六个自由度的双足步行机器人100的情况下(见图3)，由于腿的姿态或下肢的“步态”明确地受到脚22R／L的位置和腰部的水平位置和高度的限定，所以腰部移动模式的产生就意味着下肢的“步态”被确定。
因此，对于本实施例的适于直立双足行走的双足步行机器人100来说，能够确定便于稳定行走的下肢的步态而不管机器人是垂直站立或是靠双脚行走。
特别是，在机器人100垂直站立而它通过使用上肢和躯干作手势时，能够确定适于随后稳定行走的下肢的步态。换句话说，上半身作为主角时由于手势作用失去的姿态稳定性，通过确定根据腰部水平位置限定的步态就能适当地恢复。本发明通过具体的实施例已作出详细的描述。然而，对于本领域的熟练技术人员来说，上述实施例可被修改和／或变换而没有脱离本发明的保护范围。
在机器人腰部的姿态(θhX，θhY，θhZ)根据躯干节距轴5，躯干滚动轴6和躯干摇摆轴7的三个自由度如上表达时，具有人特点的机器人100的腰部位置通过参考适于直立双足行走如人或类人猿的实际双足步行动物的身体机构以各种不同的方式而被控制。
此外，本发明并不局限于称之为“机器人”的制造产品。换句话说，本发明可用于各种工业如玩具工业的产品，只要这些产品是通过电和／或磁效应仿真人行为的机械装置。
简而言之，本发明根据具体实施例所作的描述仅仅使它能被清楚地理解，因此上述实施例决不能限定本发明的保护范围。本发明的保护范围仅由后面的权利要求来限定。
为了更好地理解本发明的目的，用于具有人特点的机器人的关节模型的构成在图9中作出说明。参考图9，覆盖肩关节5，上臂3，肘关节6，前臂4，腕关节7和手8的机器人的这部分称之为“上肢”17，从臀关节11延伸至躯干关节10的机器人的这部分称之为“躯干”18。躯干关节10具有表示人脊柱自由度的角色。最后，覆盖臀关节11，大腿12，膝关节14，小腿13，踝关节15和脚16的机器人的这部分称之为“下肢”19。更简略地说，从躯干关节向上的这部分称之为“上半身”而其余部分称之为“下半身”。
图10是用于具有人特点的机器人另一个关节模型的示意图。该模型不同于图9的模型，就在于它不包括躯干关节10。参考上面各种部件名称的描述。与人脊柱相对应的躯干关节的缺少使具有人特点的机器人的上半身表达不丰富。然而，发现这样的机器人可在危险的工作和上半身活动不是特别重要的其它工业的工作中使用。必须注意图9和10中的参考标号与其它附图中使用的参考标号不一致。
权利要求
1．一种用于控制至少具有下肢、躯干和腰，并适于双足行走的机器人的步行控制装置；所述装置适于通过从任意选择的脚移动模式、ZMP轨迹、躯干移动模式和上肢移动模式中得到腰的移动模式而获得整个身体行走的移动模式。
2．一种用于控制机器人的步行控制装置，这类机器人至少具有下肢、躯干和腰，这种装置使该类机器人靠其下肢的双脚移动，从而使ZMP到达目标位置，所述装置包括(a)为了实现一种所需的动作而选择脚活动、躯干活动和上肢活动及腰的姿态和高度的设备；(b)根据所述设备(a)所选择的脚的活动选择ZMP轨迹的设备；(c)获得腰活动解，以平衡通过所述设备(b)所选择的ZMP上的转矩的设备；(d)根据获得腰的活动解实现腰活动的设备。
3．一种用于控制机器人的步行控制装置，这类机器人至少具有下肢、躯干和腰，这种装置使它能够靠其下肢的双脚移动而使ZMP能到达目标位置，所述装置包括(A)为了实现一所需的动作而选择脚活动、躯干活动和上肢活动及腰的姿态和高度的设备；(B)根据所述设备(A)所选择的脚的活动选择ZMP轨迹的设备；(C)获得腰活动近似解，以平衡用非精确模型通过所述设备(B)所选择的ZMP上的转矩的设备；(D)获得腰活动近似解，以平衡用非精确模型通过所述设备(B)所选择的ZMP上的转矩的设备；(E)在所述设备(C)中获得的近似解和所述设备(D)中获得的近似解之间的差小于一预先设定的容许值时，最终确定腰活动解的设备；(F)在所述设备(C)中获得的近似解和所述设备(D)中获得的近似解之间的差不小于一预先设定的容许值时，修改非精确模型的ZMP上的转矩，并将该修改值输入至所述设备(C)中的设备；(G)根据获得的腰活动解而实现腰活动的设备。
4．如权利要求3所述的步行控制装置，其中所述非精确模型是机器人的线性和／或不干扰多质点近似模型；并且精确模型是刚体模型或多质点系统的非线性和／或干扰近似模型。
5．如权利要求3所述的步行控制装置，还包括(C＇)在躯干的选择活动和上肢的选择活动通过所述用非精确模型获得腰活动的近似解的设备(C)获得的近似解不能实现时，重选／修改躯干活动的模式和上肢活动的模式的设备。
6．如权利要求3所述的步行控制装置，其中所述通过非精确模型获得腰活动的近似解的设备(C)是通过解由脚、躯干和上肢活动产生所选择ZMP上的转矩和腰水平面活动产生所选择ZMP上的转矩的平衡方程获得腰活动的近似解的设备。
7．如权利要求3所述的步行控制装置，其中所述通过非精确模型获得腰活动的近似解的设备(C)是用计算的频率函数代替时间函数的设备。
8．如权利要求3所述的步行控制装置，其中所述通过非精确模型获得腰活动的近似解的设备(C)是通过将傅里叶级数展开用于由脚、躯干和上肢活动产生所选择ZMP上的转矩，还用于腰的水平面轨迹来计算确定腰水平面轨迹的傅里叶系数，并且另外通过应用逆傅里叶级数展开式获得腰活动的近似解的设备。
9．一种用于控制机器人的步行控制装置，这类机器人具有设置了许多关节以表达上半身动作的上半身，和至少具有腿关节以实现步行动作的下半身，适于稳定行走的下半身的步态根据上半身的步态确定。
10．一种用于控制至少具有下肢、躯干和腰，并适于双足行走的机器人的步行控制方法；所述方法适于通过从任意选择的脚移动模式、ZMP轨迹、躯干移动模式和上肢的移动模式得到腰的移动模式而获得整个身体行走的移动模式。
11．一种用于控制机器人的步行控制方法，这类机器人至少具有下肢、躯干和腰，这种方法使它能够靠其下肢的双脚移动而使ZMP到达目标位置，所述方法包括(a)为了实现一种所需的动作而选择脚活动、躯干活动和上肢活动及腰的姿态和高度的步骤；(b)根据所述步骤(a)所选择的脚的活动选择ZMP轨迹的步骤；(c)获得腰活动解以平衡通过所述步骤(b)所选择的ZMP上的转矩的步骤；(d)根据获得的腰活动解，实现腰活动的步骤。
12．一种用于控制机器人的步行控制方法，这类机器人至少具有下肢、躯干和腰，这种方法使它能够靠其下肢的双脚移动而使ZMP能到达目标位置，所述方法包括(A)为了实现一所需的动作而选择脚活动、躯干活动和上肢活动及腰的姿态和高度的步骤；(B)根据所述步骤(A)所选择的脚的活动，选择ZMP轨迹的步骤；(C)获得腰活动近似解以平衡用非精确模型，通过所述步骤(B)所选择的ZMP上的转矩的步骤；(D)获得腰活动近似解以平衡用非精确模型，通过所述步骤(B)所选择的ZMP上的转矩的步骤；(E)在所述步骤(C)中获得的近似解和所述步骤(D)中获得的近似解之间的差小于一预先设定的容许值时最终确定腰活动解的步骤；(F)在所述步骤(C)中获得的近似解和所述步骤(D)中获得的近似解之间的差不小于一预先设定的容许值时修改非精确模型的ZMP上的转矩，并将该修改值输入至所述步骤(C)中的步骤；(G)根据获得的腰活动解而实现腰活动的步骤。
13．如权利要求12所述的步行控制方法，其中所述非精确模型是机器人的线性和／或不干扰多质点近似模型；其中所述的精确模型是刚体模型或非线性和／或干扰多质点系统的近似模型。
14．如权利要求12所述的步行控制方法，还包括(C＇)在躯干的选择活动和上肢的选择活动通过所述用非精确模型获得腰活动的近似解的步骤(C)获得的近似解不能实现时，重选／修改躯干活动模式和上肢活动模式的步骤。
15．如权利要求12所述的步行控制方法，其中所述通过非精确模型获得腰活动的近似解的步骤(C)是通过解由脚、躯干和上肢活动产生所选择ZMP上的转矩和腰水平面活动产生所选择ZMP上的转矩的平衡方程获得腰活动的近似解的步骤。
16．如权利要求12所述的步行控制方法，其中所述通过非精确模型获得腰活动的近似解的步骤(C)是用计算的频率函数代替时间函数的步骤。
17．如权利要求12所述的步行控制方法，其特征在于所述通过非精确模型获得腰活动的近似解的步骤(C)是通过将傅里叶级数展开用于由脚、躯干和上肢活动产生所选择ZMP上的转矩，还用于腰的水平面轨迹来计算确定腰水平面轨迹的傅里叶系数，并且另外通过应用逆傅里叶级数展开式获得腰活动的近似解的步骤。
18．一种用于控制机器人的步行控制方法，这类机器人具有设置了许多关节以表达上半身动作的上半身，和至少具有腿关节以实现步行动作的下半身，适于稳定行走的下半身的步态根据上半身的步态确定。
全文摘要
根据本发明,机器人姿态的稳定性如果在上肢作为主角的手势过程中失去,则能够通过步行控制装置和步行控制方法恢复。该装置和该方法通过从任意选择的脚移动模式、ZMP轨迹、躯干移动模式和上肢移动模式中得到腰的移动模式而获得行走的整个身体的移动模式。因此,无论机器人是垂直站立还是行走,都能确定下肢的步态以实现稳定行走。当机器人在站立时使用包括上肢和躯干的上半身作手势,则能够响应于上半身这样的步态确定下肢的步态以便作稳定行走。
文档编号B62D57/032GK1290590SQ0012843
公开日2001年4月11日 申请日期2000年9月20日 优先权日1999年9月20日
发明者黑木义博, 石田健藏, 山口仁一 申请人:索尼公司, 山口仁一