专利名称：以腿行走的机器人与对其动作的控制方法
技术领域：
本发明涉及实际的机器人，每个机器人都有模拟生命体的机制或动作的结构，并涉及对其动作的控制方法，特别是涉及以腿行走的机器人，每个机器人都有模拟直立行走的人和猿的机制或动作的结构，本发明还涉及对其动作的控制方法。
更特别的是，本发明涉及一种以腿行走的机器人，它可通过一条可动腿或左右两条可动腿的交替站立稳定而准确地执行腿动动作，本发明还涉及对其动作的控制方法。尤为特别的是，本发明涉及一种以腿行走的机器人，在这种以腿行走的机器人改变它与地板、墙壁等的联系机制，从开放联系机制变成闭合联系机制时，例如在机器人使它的站立模式从单腿站立模式变为双腿站立模式时，它可按照预期值与实际值之差所引起的分离(detachment)或碰撞(crash)执行姿态稳定控制，本发明还涉及对其动作的控制方法。
背景技术：
通过利用电或磁的效应执行模拟人的动作的机械装置叫做机器人。机器人(ROBOT)一词的词源据说是源于斯拉夫语的“ROBOTA”(奴隶机器)。虽然从1960年代末以来机器人已广泛用于日本，但大多数机器人是工业机器人，如用于工厂中自动化生产和无人生产的操作手和运输机器人。
固定机器人，如固定安装在特定位置的机器手(arm robots)，只在一种固定的局部工作空间执行部件装配操作和部件分类操作之类的操作。另一方面，活动机器人，在一种不固定的工作空间，通过灵活地沿预定路线或无路线的移动执行规定的或非规定的人类动作之类的操作，提供替代人、狗和其他动物的各种服务。特别是，以腿行走的机器人有上下楼梯和梯子、越过障碍物、行走灵活和可在平坦与不平坦地面行走的优点，虽然这些机器人在姿态控制和行走上比履带型机器人和轮式机器人要不稳定，也要困难。
最近，在研究与开发人形机器人之类以腿行走的机器人、即通过模拟人之类两腿行走动物的身体机制和动作所设计的类人机器人方面取得了进展，因此，对实际应用的预期已日益形成。例如，索尼公司2000年11月25日公开了两腿行走的类人机器人“SDR-3X”。
下述两种观点在据以理解研究与开发叫做人形机器人、即类人机器人的两腿行走机器人的意义方面是有代表性的。
一种是来自人类科学的观点。更具体地说，制造一种具有模拟人的下肢和/或上肢的结构的机器人并为其设计控制方法，在技术上导致通过人类动作的模拟过程解决自然人动作包括行走的机制。这种研究预期会对研究人类运动机制的各个其它领域如人机过程学、康复技术和运动科学有显著贡献。
另一种是来自为支持作为人的助手的生活活动、亦即支持各种日常环境包括生活环境中的人类活动而开发实际机器人的观点。这些类型的机器人需要学习适应人，而每个人有不同的个性，或在人教它后适应不同的环境，并进一步开发其在人类生活环境各个方面中的功能。一个具有与人同形或同结构的人形机器人或机器人预期会对与人的顺利沟通有效地发挥作用。
例如，在教一个机器人通过现场的一个房间而避开一个障碍物而不碰上它时，预期操作者把上述动作教给一个形状与操作者类似的两腿行走的机器人比教给一个履带型机器人或一个结构与操作者完全不同的四方形机器人要容易。另外，这对于被教的机器人也一定是容易的(例如，参见TakanishiControl of Biped walking robot[两腿行走机器人的控制]，Society ofAutomotive Engineers of Japan[日本自动化工程师协会]，Kanto Charter，<KOSO>No.25，April 1996)。
大部分人类工作和生活的空间是按照一个两腿直立行走的人的身体机制和行为模式建构的。换句话说，现有的有轮子的机械系统和驱动单元，作为在人类生活空间活动的移动工具，存在非常多的不利于它们行动的障碍。为了使这种机械系统即机器人提供支持或替代各种人类操作的服务，因而使其深深卷入人类生活空间，机器人最好有一个基本上同人一样的活动范围。这是为什么以腿行走机器人大有可能付诸实用的原因。可以这样说，机器人必须有一种人的结构，以便更贴近人类生活环境。
关于两腿行走的机器人，已有许多姿态控制和稳定行走的技术被提出。如上述那样的稳定行走被定义为以腿不跌倒地移位。
机器人的姿态稳定控制对于防止机器人跌倒是极其重要的，因为跌倒会使机器人正在执行的操作停止，而为了从跌倒站起重新执行操作还需要相当多的能量和时间。最重要的是，机器人跌倒有使机器人本身或与跌倒机器人相撞的障碍物遭到致命损害的危险。因此，行走和其它腿动操作的姿态稳定控制是设计和开发以腿行走机器人时的最重要问题。
行走时，因为重力和行走动作所引起的加速度，重力、惯性力和起因于行走系统这些力的力矩都作用于路面。根据所谓的达朗伯(D’Alambert)原理，这些力和力矩是与作为从路面到行走系统的反作用的结果的地板反作用力和力矩平衡的。作为动力学推论的一个结果，脚底着地点和路面所形成的一个辅助多边形有一个点，在这个点上，俯仰轴(pitch-axis)和滚动轴(roll-axis)的力矩为零，换句话说，零力矩点(ZMP)在这个辅助多边形的边上或之内。
有关以腿行走机器人姿态稳定控制和防止跌倒的大多数建议使用这个ZMP作为确定行走稳定性的一个判据。基于ZMP判据的这一代两腿行走模式机器人有一些优点，容易根据路面形态等考虑脚指的运动学约束条件，因为脚底着地点可以预设。用ZMP作为确定稳定性的一个判据意味着，把轨迹而不是力用作动作控制的目标值，因而提高了这种机器人的技术可行性。
ZMP的一般概念和ZMP作为确定行走机器人稳定性的一个判据的应用在Miomir Vukobratovic所写的“LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”(以腿移位的机器人)中作了说明(Ichiro Kato等，“Walking Robot and Artificialleg”[行走机器人和人造腿]，The Nikkan Kogyo Shimbun Ltd.)。
一般地说，两腿行走机器人如类人机器人有一个重心，与四方形机器人相比，其稳定行走时的位置较高，而稳定行走时的ZMP区域较窄。所以，姿态随路面形态变化这样一个问题对于两腿行走机器人是特别重要的。
不过，以腿行走机器人仅仅是从开发阶段到实用阶段迈出的第一步，大量技术问题仍有待解决。
预期将在人类生活环境中起积极作用的以腿行走机器人有多个由转动关节构成的“肢”，要求它在与外部世界或工作对象联系的闭合模式(closedlink mode)与开放模式(open link mode)间执行高速操作转换，以便实现稳定的两腿行走、稳定的两臂操作，或其它。
例如，这种以腿行走机器人可执行各种腿动操作，如通常通过交替用一条或左右两条可动腿站立的行走。当以腿行走机器人从开放联系机制(openlink mechanism)到闭合联系机制(closed link mechanism)改变它与地板、墙壁或其它的联系机制时，例如在它从单腿站立模式到双腿站立模式转换它的站立模式时，常常在来自它的控制系统的预期值与比如说在它的着地脚趾处的实际值之间，有一个差。
这样一种预期值与实际值的差引起“分离”，意思是，脚趾预期着地时没有着地，或引起“碰撞”，意思是，脚趾比预期的早着地。这种分离和碰撞对以腿行走机器人身体的姿态稳定控制有很大影响。
迄今为止，为了用反馈控制实现从开放联系模式到闭合联系模式的高速操纵转换已作了一些努力，而反馈控制则是通过使用基于来自安在肢体顶部的力传感器的力信号或来自驱动关节的作动器(actuator)的扭力矩信号的软件实现的。不过，用这种方法实现稳定的动作，从技术观点看，是非常困难的，因为所要求的短反馈周期、高分辨率、高速和驱动关节的大加速度要达到一种不现实的程度。
发明内容
本发明的目标是提供一种优秀的以腿行走的机器人，这种机器人，通过转换其站立模式，例如通过交替用一条或左右两条可动腿站立，可稳定而准确地执行腿动操作，同时，还为这种机器人提供一种优秀的运动控制方法。
本发明的另一目标是提供一种优秀的以腿行走的机器人，这种机器人，在它从开放联系机制到闭合联系机制改变其与地板、墙壁或其它的联系机制时，例如在它从单腿站立模式到双腿站立模式转换其站立模式时，可根据预期值与实际值的差所引起的分离或碰撞，执行姿态稳定操作，同时，还为这种机器人提供一种优秀的运动控制方法。
本发明的再一目标是提供一种优秀的以腿行走的机器人，这种机器人可在与外部世界或工作对象的开放联系模式与闭合联系模式之间执行高速转换操作，而不失去其身体的姿态稳定性，同时，还为这种机器人提供一种优秀的运动控制方法。
本发明是在考虑到上述问题时作出的，因此，根据其中第一方面，一个以腿行走的机器人至少包括可动腿，其中，每条可动腿有多个关节自由度和被动自由度，并对相应关节提供一种先后次序，以便除去动态闭合误差(dynamic closing error)。
按照这个根据本发明第一目标的以腿行走的机器人，它至少有一个转动关节(其可以具有至少两个自由度)，为了在与外部世界或工作对象的开放联系模式与闭合联系模式之间执行高速转换操作，每条腿设有最低要求的被动自由度(如减速器[reducer]的间隙[backlash])，以便除去动态闭合误差，而这条腿的可动范围也是完全得到控制的。
因此，甚至在驱动相应关节的作动器没有办法获得扭力矩信号时，闭合联系模式与开放联系模式之间的高速转换操作也能稳定实现。
例如，在以腿行走的机器人是一个有左右两条可动腿的双腿行走的机器人时，左右两条可动腿可以这样制作，以致彼此有基本相同的自由度。因此，身体有一种基本对称的特征，进而使姿态稳定控制容易实现。
另外，可动腿的每个关节的自由度是通过一个与减速器相连的作动器实现的。在这种情况下，每个关节的被动自由度是通过与作动器相连的减速器的间隙实现的。
再者，通过把一条腿的一个关节安排在较靠近这条腿的远端，以致比另一条腿的关节有较大的间隙，可降低对应连接在对应闲置腿着地时波动(fluctuation)所引起的干扰，也可防止高增益局部反馈控制系统所引起的大扭力矩的出现，进而防止对应脚底的突然滑动或分离。
可动腿有至少围绕髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴(yaw-axis)的关节自由度。在这种情况下，通过围绕相应的髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴和踝关节俯仰轴安排依次变小的间隙，可降低在对应闲置腿着地时对应连接的波动所引起的干扰，也可防止高增益局部反馈控制系统所引起的大扭力矩的出现，进而防止对应脚底的突然滑动或分离。
另外，通过以下述次序脚＞下股骨＞上股骨，控制对应连接的波动，该波动是在除去对应闲置腿着地时所产生的动态闭合误差时出现的，可降低对在对应闲置腿着地时对应连接的波动所引起的干扰，也可防止高增益局部反馈控制系统所引起的大扭力矩的出现，进而防止对应脚底在地板面上的突然滑动或与地板面分离。
再者，为了维持对身体的一种ZMP姿态稳定控制，可以对每个自由度上整条肢(limb)间隙的总和加以控制。例如，一条肢(limb)围绕滚动轴的间隙总和在0.05°到2.0°是最好的。而且，一条肢(limb)围绕俯仰轴的间隙总和在0.10°到4.0°也是最好的。
根据本发明的第二方面，一个机器人装置包括至少一个关节有至少围绕滚动轴和俯仰轴的自由度，其中，这个关节有滚动轴间隙ΔR和俯仰轴间隙ΔP，这两个间隙满足下述条件ΔP＞ΔR在这种情况下，俯仰轴间隙ΔP可以是滚动轴间隙ΔR的至少1.5倍。
以腿行走的机器人，通过滚动轴和俯仰轴的组合，躯干、髋关节、踝关节等的每个关节都各有关节自由度。本发明人等建议，机器人身体要这样设计，以致对于它们的共同关节来说，围绕俯仰轴的间隙ΔP大于围绕滚动轴的间隙ΔR(即ΔP＞ΔR)。在向前直线行走的情况被考虑时，双腿行走的机器人，因为没有侧滑动作卷入，以滚动动作和侧滑动作为主，所以机器人在X方向比在Y方向有更宽的稳定区，进而导致这样的结论ΔP＞ΔR。
另外，在偏转轴像身体的关节自由度结构那样被安置在腿的底部时，甚至在例如转弯时出现侧滑动作时，这种侧滑动作也不干扰平脚在腿坐标系中(髋关节是其中的原点)的俯仰或滚动动作。也就是说，偏转轴间隙ΔY所引起的平脚姿态偏斜只影响偏转轴角度，在实际稳定区充分大于这种偏斜时，可忽略不计。
另一方面，在偏转轴安置在上股骨或下股骨时，偏转轴间隙ΔY干扰平脚在腿坐标系中(髋关节轴是其中的原点)的俯仰或滚动动作。在这种情况下，控制偏转轴间隙ΔY越来越显得重要。
根据本发明的第三方面，对至少包括可动腿、每条可动腿有多个由位置伺服控制所确定的关节自由度的双腿行走机器人的运动控制方法，包括为除去相应关节的动态闭合误差向这些相应关节提供被动自由度的步骤。
按照这种为根据本发明第三方面的以腿行走机器人所提供的运动控制方法，在至少有一个转动关节(可以有至少两个自由度)的机器人中，为了在与外部世界或工作对象的开放联系模式与闭合联系模式之间执行高速转换操作，每条肢(limb)设有最低要求的被动自由度(如减速器的间隙)，以便除去动态闭合误差，而这条肢(limb)的可动范围也是适当控制的。
在提供被动自由度的步骤中，动态闭合误差可通过调整相应关节的比例增益除去。
另外，当以腿行走的机器人是有左右两腿的机器人时，在提供被动自由度的步骤中，相应关节的比例增益要这样调整，以致左右两条可动腿有彼此基本相同的被动自由度。因此，机器人身体有一种基本对称的特征，进而使姿态稳定控制容易实现。
再者，在提供被动自由度的步骤中，相应关节的比例增益最好这样调整，以致一条肢(limb)较靠近这条肢(limb)远端的一个关节有较大的被动自由度。
例如，当可动腿有至少围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴、髋关节偏转轴的关节自由度时，在提供被动自由度的步骤中，相应关节的比例增益最好这样调整，以致髋关节滚动轴的可动范围小于踝关节滚动轴的可动范围。因此，可降低在对应闲置腿着地时对应连接的波动所引起的干扰，也可防止高增益局部反馈控制系统所引起的大扭力矩的出现，进而防止对应脚底的突然滑动或分离。
另外，在提供被动自由度的步骤中，相应关节的比例增益可以这样调整，以致当除去对应闲置腿着地时所产生的动态闭合误差时所出现的对应连接的波动，以下述次序被控制脚＞下股骨＞上股骨。因此，可降低在对应闲置腿着地时对应连接的波动所引起的干扰，也可防止高增益局部反馈控制系统所引起的大扭力矩的出现，进而防止对应脚底的突然滑动或分离。
再者，为了维持对机器人身体的一种ZMP姿态稳定控制，在提供被动自由度的步骤中，可以对每个自由度上整条肢(limb)被动自由度的总和加以控制。
本发明的其它目标、特点和优点将在详细说明中显现，而这将在后面根据本发明的实施例和附图加以描述。
图1是根据本发明实施例的以腿行走机器人100的透视前视图。
图2是根据本发明实施例的以腿行走机器人100的透视后视图。
图3是为根据本发明实施例的以腿行走机器人100所配备的自由度配置模型的示意图。
图4是根据本发明实施例的以腿行走机器人100的控制系统配置模型的示意图。
图5说明双腿行走机器人腿动时的动态闭合误差。
图6是说明商业上所生产的机器人间隙与性能之间关系的示意曲线。
图7是说明通过位置伺服补偿所调整的间隙与性能之间关系的示意曲线。
图8说明用于控制图7所示性能的位置伺服补偿器的具体配置。
图9是说明比例增益与抑制比之间关系的曲线。
图10是说明在使死区达到最小时通过非线性位置伺服补偿所调整的间隙与性能之间关系的示意曲线。
图11说明用于控制图10所示性能的非线性位置伺服补偿器的具体配置。
图12是说明通过非线性位置伺服补偿，以致通过有意加宽死区，在作动器滚动轴转到一定角度范围以外时，提供一种实际性能，所调整的间隙与性能之间关系的示意曲线。
图13说明用于控制图12所示性能的非线性位置伺服补偿器的具体配置。
具体实施例方式
本发明的实施例将参照附图详加说明。
图1和图2分别是根据本发明实施例的以腿行走机器人100的透视前视图和透视后视图。另外，图3示意地说明为这个以腿行走机器人100所配备的关节自由度的结构。
如图3所示，以腿行走机器人100有一种多肢结构，上肢包括两个手臂和头1，下肢包括实现移位动作的两腿，以及连接上肢和下肢的躯干。
支撑头1的颈关节有3个自由度即颈关节偏转轴2、颈关节俯仰轴3和颈关节滚动轴4。
每个手臂有肩关节俯仰轴8、肩关节滚动轴9、上臂偏转轴10、肘关节俯仰轴11、前臂偏转轴12、腕关节俯仰轴13、腕关节滚动轴14和手15。实际上，手15有一种包括多个手指的多关节、多自由度的结构。不过，在这个说明中假定，手15有零自由度，因为手15的动作对以腿行走机器人100的姿态控制和行走控制几乎没有影响。也就是说，每个手臂有7个自由度。
躯干有3个自由度即躯干俯仰轴5、躯干滚动轴6和躯干偏转轴7。
构成下肢的每条腿有髋关节偏转轴16、髋关节俯仰轴17、髋关节滚动轴18、膝关节俯仰轴19、踝关节俯仰轴20、踝关节滚动轴21和脚22。在这个说明中，髋关节俯仰轴17与髋关节滚动轴18之间的交叉点定义根据本实施例的以腿行走机器人100的髋关节的位置。虽然人脚22实际上有一种包括有多关节、多自由度的脚底的结构，但假定根据本实施例的以腿行走机器人100的脚底有零自由度。也就是说，每条腿有6个自由度。
因此，总起来说，根据本实施例的以腿行走机器人100共有32(＝3+7×2+3+6×2)个自由度。不过，用于娱乐的以腿行走机器人100不总限于有32个自由度。本领域人士会知道，自由度数或关节数完全可以根据设计和制造的限制、特殊需要或其它加以改变。
前述以腿行走机器人100的每个自由度实际上是利用一个作动器实现。考虑到通过消除其中过量突出使之与自然人体外形相似和对其中不稳定双腿行走结构执行姿态控制，小而轻的作动器是更可取的。在本实施例中，一个直接连在一个齿轮上、并嵌入一个单芯片伺服系统的小AC伺服作动器被安装。这种伺服作动器已被公开，例如在日本的已经转让给同一受让人的未经审查的专利出版物No.2000-299970(Japanese Patent ApplicationH11-33386)上。
图4是示意说明以腿行走机器人100的控制系统的配置。如图所示，以腿行走机器人100有机械单元30、40、50R/L、60R/L，每个单元代表对应的人体四肢之一，还有为在这些机械单元中实现协调动作的执行适应性行为控制的控制单元80(下文中，后缀R和L分别代表右和左)。
控制单元80对以腿行走机器人100的总体动作执行集中控制。控制单元80有一个包括CPU(中央处理元件)和存储器之类主要电路组件(未显示)的主控制单元81，还包括一个外围电路82，其中包括一个为从一个供电线路(未显示)和以腿行走机器人100的每个组件发送和接收数据和命令的界面(未显示)。
在实现本发明时，对控制单元80的安装位置无限制。控制单元80虽然在图4中安装在躯干单元40上，但也可安装在头单元30上。此外，控制单元80还可以安装在以腿行走机器人100以外，通过有线或无线的方法与以腿行走机器人100的身体进行通讯联系。
示于图3中的以腿行走机器人100的每个关节自由度通过相应作动器实现。换句话说，头单元30有为分别代表颈关节偏转轴2、颈关节俯仰轴3和颈关节滚动轴4而在其中设置的颈关节偏转轴作动器A2、颈关节俯仰轴作动器A3和颈关节滚动轴作动器A4。
躯干单元40有为分别代表躯干俯仰轴5、躯干滚动轴6和躯干偏转轴7而在其中设置的躯干俯仰轴作动器A5、躯干滚动轴作动器A6和躯干偏转轴作动器A7。
手臂单元50R/L分成上臂单元51R/L、肘关节单元52R/L和前臂单元53R/L。每个手臂单元50R/L有为分别代表肩关节俯仰轴8、肩关节滚动轴9、上臂偏转轴10、肘关节俯仰轴11、肘关节滚动轴12、腕关节俯仰轴13、腕关节滚动轴14而在其中设置的肩关节俯仰轴作动器A8、肩关节滚动轴作动器A9、上臂偏转轴作动器A10、肘关节俯仰轴作动器A11、前臂偏转轴作动器A12、腕关节俯仰轴作动器A13、腕关节滚动轴作动器A14。
腿单元60R/L分成大腿单元61R/L、膝单元62R/L和小腿单元63R/L。每个腿单元60R/L有为分别代表髋关节偏转轴16、髋关节俯仰轴17、髋关节滚动轴18、膝关节俯仰轴19、踝关节俯仰轴20、踝关节滚动轴21而在其中设置的髋关节偏转轴作动器A16、髋关节俯仰轴作动器A17、髋关节滚动轴作动器A18、膝关节俯仰轴作动器A19、踝关节俯仰轴作动器A20、踝关节滚动轴作动器A21。
用于相应关节的作动器A2、A3......的每一个最好为前述直接连在一个齿轮上、并嵌入一个单芯片伺服系统的小AC伺服作动器。
头单元30、躯干单元40、手臂单元50和腿单元60有为驱动其中安置的对应作动器的子控制器35、45、55和65。躯干单元40有用于分别探测腿的脚底60R和60L着地而在其中安装的着地探测传感器91和92，还在其中设有测定姿态的姿态传感器93。
每个着地传感器91和92由装在脚底的接近传感器、微型开关或其它类似物构成。姿态传感器93是由比如说一种加速传感器和陀螺传感器的组合构成。
着地传感器91和92的输出用于确定作行走或跑动之类动作时左右两腿的每一条腿是处于站立状态还是处于闲置状态。姿态探测器93的输出用于确定躯干的倾斜和姿态。
主控制器80回应传感器91到93的输出动态地修正控制目标。更具体地说，主控制器80可有适应性地控制子传感器35、45、55和65中的每一个，进而实现一种由以腿行走机器人100的上肢、躯干和下肢协调驱动的全身动作样式。
在主控制器81设定脚动作、零力矩点(ZMP)轨迹、躯干动作、上肢动作、腰高等，并传输一个指示一个对应上述设定的动作的命令到子控制器35、45、55、65的每一个时，机器人100的全身动作被实现。这里，“ZMP”意味着行走时地板反作用力所引起的力矩为零，“ZMP轨迹”意味着比如说在以腿行走机器人100如上述行走时ZMP的移动轨迹。子控制器35、45、55和65解释从主控制器81收到的对应命令，并输出驱动控制信号到对应的作动器A2、A3......。另外，主控制器81还输出用于调整对应的作动器A2、A3......的比例增益K的控制信号，实现对应的关节自由度。在对应的子控制器35、45、55和65调整对应的作动器A2、A3......的比例增益时，与各个间隙对应的被动自由度可被改变(如下面将说明的)。
根据本实施例的以腿行走机器人100基本上具有一种由转动关节构成的多“肢”结构，它的身体在与外部世界或工作对象的闭合联系模式与开放联系模式间执行一种高速转换操作，以实现稳定的双腿行走、稳定的双臂操作等。在闭合联系模式与开放联系模式间进行转换操作时，预期值与实际值之间的差引起与外部世界或工作对象的问题，如“分离”、“碰撞”或其它。
例如，这种差引起意味着预期脚趾着地而没有着地的“分离”，或引起意味着比预期的早先着地的“碰撞”。这种分离和碰撞对以腿行走机器人的身体的姿态稳定控制有很大影响。
考虑到上述背景，根据本实施例的以腿行走机器人100要这样被安排，以致每个肢有用于除去动态闭合误差的最低要求的被动自由度，而且肢的可动范围适当控制。因此，甚至在用于驱动相应关节的作动器没有办法获得扭力矩信号时，闭合联系模式与开放联系模式间的高速转换操作也可稳定实现。
为了实现根据本实施例的以腿行走机器人100，每条腿有下述6个自由度(参见图3)髋关节偏转轴(TH_Y)髋关节滚动轴(TH_R)髋关节俯仰轴(TH_P)
膝关节俯仰轴(KN_P)踝关节俯仰轴(AK_P)踝关节滚动轴(AK_R)每条腿有配置在身体髋部的髋关节偏转轴(TH_Y)和对应平脚上的踝关节。在本实施例中，为了使对双腿行走机器人100的姿态稳定控制容易进行，要对实现相应关节上述6个自由度和间隙的作动器的输出加以优化。
为了进行优化，对这6个关节的间隙规定了先后次序。更特别地，这些间隙以降序排列(也就是说，从好到坏)，如下所述1.围绕髋关节滚动轴的间隙ΔTH_R2.围绕踝关节滚动轴的间隙ΔAK_R3.围绕髋关节俯仰轴的间隙ΔTH_P4.围绕膝关节俯仰轴的间隙ΔKN_P5.围绕踝关节俯仰轴的间隙ΔAK_P6.围绕髋关节偏转轴的间隙ΔTH_Y条件1ΔTH_R＜ΔAK_R＜ΔTH_P＜ΔKN_P＜ΔAK_P＜ΔTH_Y在以腿行走机器人100如图1到3所示呈两侧对称时，应当理解为上述关节的先后次序同样适用于左右两腿。另外，从使姿态稳定控制容易进行的观点看，左右两腿的相应关节最好彼此有相同的间隙。
在左右两腿分别以L和R表示时，这两条两侧对称的腿由下述关系式确定。条件2ΔLTH_R＝ΔRTH_RΔLAK_R＝ΔRAK_RΔLTH_P＝ΔRTH_PΔLKN_P＝ΔRKN_P
ΔLAK_P＝ΔRAK_PΔLTH_Y＝ΔRTH_Y在上述条件由于身体设计或另一种约束而被满足时，一个肢(Limb)每个自由度的间隙总和受到了控制。更具体地说，通过设定下述表达式以致使其被满足，基本上可实现同样有利的结果。条件3ΔLTH_R+ΔLAK_R＝ΔRTH_R+ΔRAK_R≤γΔLTH_R+ΔLKN_P+ΔLAK_P＝ΔRTH_R+ΔRKN_P+ΔRAK_P≤δΔLTH_Y＝ΔRTH_Y总的来说，在本实施例中，通过设定相应关节的间隙分配以致满足条件1到3之一，可以优化以腿行走机器人100的身体设计。
通过如上述优化腿的相应关节的间隙的分配，可使对以双腿行走机器人100的姿态稳定控制容易进行。
用优化以腿行走机器人100的身体设计以便满足条件1到3之一的第一种方法，可测定和筛选安装在构成每个关节的作动器上的减速器的间隙，而与筛选了间隙的减速器相连的作动器则被配置给相应关节，以便制成机器人身体。
用优化以腿行走机器人100的身体设计的第二种方法，可调整与具有统一间隙的减速器相连的作动器的伺服控制器的增益，以便满足条件1到3之一。
用优化以腿行走机器人100的第一种方法，每条腿有为除去动态闭合误差的最低要求的被动自由度，而且每个自由度的可动范围完全受到控制。如图5所示，术语“闭合点”在此是指闲置腿的一个接触点，两条腿通过此点相连在闲置腿着地时与地板面形成一种几何上的闭合状态。另外，术语“动态闭合误差”是指一个闭合件相对于闭合点(闭合面)在目标姿态与实际姿态之间的距离误差和角度误差，亦即闭合面的空间位移量。此外，被动自由度主要通过使用减速器的间隙实现。换句话说，通过完全控制与用于驱动腿的相应关节的作动器相连的减速器的间隙，甚至在用于驱动关节的作动器没有办法获得扭力矩信号时，也能稳定实现开放联系模式与闭合联系模式间的高速转换操作。
根据第一种方法，因为腿的特征可由实际间隙确定，所以总可得到适合于前馈行走的腿的特征。
根据优化以腿行走机器人100的第一种方法的基本原理，当一个肢的一个关节较靠近这个肢的远端安置时，这个关节有较大的间隙，而这个肢每个自由度的间隙的和受到控制。
用这种安排，对通过除去比如说在对应闲置腿着地时产生的动态闭合误差所引起的对应连接的波动，可以以下述次序加以控制脚＞下股骨＞上股骨。因此，由对应闲置腿着地时对应连接的波动所引起的干扰可被降低，还可防止高增益局部反馈系统所引起的大扭力矩的出现，进而防止对应脚底的突然滑动和分离。
假定间隙的和与本发明的相同，那么讨论这样一种情况，其中，间隙以下述次序分配髋关节＞膝关节＞踝关节，亦即本发明次序的反次序。
在这种情况下，因为髋关节有大间隙，所以闲置腿脚底相对于它的“位置和姿态”的偏离变得较大，进而导致在转换站立模式时ZMP控制精度恶化。另外，因为对应闲置腿着地时腿顶部的间隙小，所以对应连接的波动可用“上股骨＝下股骨＝脚”来近似表达。因此，由对应闲置腿着地时对应连接的波动所引起的干扰增大，而由高增益局部反馈系统所引起的大扭力矩也可能突然在脚和膝作动器处产生，进而对应脚底可能会突然发生分离(最终身体可能跌倒)。
图5说明双腿行走机器人100腿动时的动态闭合误差。动态闭合误差是身体的实际姿态对目标姿态的偏离，可用随时间变化的距离误差和角度误差表达。动态闭合误差本身可被消除。
优化以腿行走机器人100的第一种方法，其中，当一个肢的一个关节较靠近这个肢的远端安置时，这个关节有较大的间隙，而这个肢每个自由度的间隙的和受到控制，这种方法并不限于上述的下肢，也同样适用于手和上肢。
在手和上肢的情况，控制一个肢每个自由度的间隙的和的同时，当一个肢的一个关节较靠近这个肢的远端安置时，这个关节有较大的间隙。与上述情况相反，在一个肢的一个关节比这个关节较靠近这个肢的底部安置有较大间隙时，全肢在从开放联系模式到闭合联系模式的转换期间所产生的波动增大，进而导致处理主动控制(handling activation control)和ZMP控制的精度恶化。
围绕每个肢的滚动轴和俯仰轴的总间隙的目标值如下0.15度＜围绕滚动轴的总间隙(γ)＜0.40度0.30度＜围绕俯仰轴的总间隙(δ)＜0.80度优化以腿行走机器人100的第一种方法有一个利用与相应关节作动器连接的减速器的间隙的变化的问题。所以，在商业生产以腿行走机器人的关节作动器，因而实现生产间隙在一定变化范围的变化的减速器时，很难说以其测定和筛选间隙的上述第一种方法是最好的。
图6说明商业生产的机器人间隙与性能之间的关系。通过按所希望的调整每个关节轴的位置伺服补偿器的开放环路增益，以便控制位置误差的变化，优化以腿行走机器人100的第二种方法有与前述第一种优化方法的优点相似的优点。
图7说明用线性位置伺服补偿调整的间隙与性能之间的关系。另外，图8说明用于控制图7所示性能的一种位置伺服补偿器的具体配置。
通过调整图8所示位置伺服系统的比例增益K(系列补偿增益)，可实现优化以腿行走机器人100的第二种方法。
假定商业生产的减速器的平均间隙比如说是0.3度，当比例增益K等于2.0时，减速器的性能(其中定位精度等于间隙)显现。
再假定开放环路增益的频率响应特征在f≤1Hz时有一个+30dB的抑制比，通过把比例增益K降到1.8，开放环路增益可减少到+29dB，降低了大约1dB。
当在一个9度的目标角以相当于1Hz频率的速度输入时，这个增益差引起0.285度的位置变化，因为抑制比在比例增益K为2.0时是+30dB。应当注意的是，由于间隙是0.3度，这种变化实际上不在这个间隙值内。
同时，在比例增益K减小到1.8时，由于抑制比变成-29dB，所以位置偏离变成0.32度。这相当于间隙实际增加0.02度。
图9说明比例增益与抑制比的关系。
通过把上述操作用于腿的每个关节轴，腿可获得优化的性能。因为这种操作可用于任何关节轴的作动器，所以可以说，这是设计由商业生产组件组装的腿的性能的一种极有效的方法。
图10说明用非线性位置伺服补偿调整的间隙与性能之间的关系。在图10所示的例子中，间隙是在使死区最小时调整的。另外，图11说明用于控制图10所示性能的另一种位置伺服补偿器的具体配置。
图12说明用非线性位置伺服补偿调整的间隙与性能之间的关系。在图12所示的例子中，间隙通过有意加宽死区来调整，以便在作动器的滚动轴转出一定角度范围时，提供一种实用性能。另外，图13说明用于控制图12所示性能的另一种位置伺服补偿器的具体配置。
以腿行走机器人100，通过滚动轴和俯仰轴的组合，躯干、髋关节、踝关节等的每个关节都各有关节自由度。本发明人等建议，机器人身体要这样设计，以致对于它们的共同关节来说，围绕俯仰轴的间隙ΔP大于围绕滚动轴的间隙ΔR(即ΔP＞ΔR)。在向前直线行走的情况被考虑时，双腿行走的机器人，因为没有侧滑动作卷入，以滚动动作和侧滑动作为主，所以机器人在X方向比在Y方向有更宽的稳定区，进而导致这样的结论ΔP＞ΔR。
在偏转轴像图3所示身体的关节自由度结构一样安置在腿的底部时，甚至在例如转弯时出现侧滑动作时，这种侧滑动作也不干扰平脚在腿坐标系中(髋关节是其中的原点)的俯仰或滚动动作。也就是说，偏转轴间隙ΔY所引起的平脚姿态偏斜只影响偏转轴角度，在实际稳定区充分大于这种偏斜时，可忽略不计。
另一方面，在偏转轴安置在上股骨或下股骨时，偏转轴间隙ΔY干扰平脚在腿坐标系中(髋关节是其中的原点)的俯仰或滚动动作。在这种情况下，控制偏转轴间隙ΔY显得越来越重要。
根据上述技术背景，以腿行走机器人相应关节的间隙分配可概括如下。
(1)基于ZMP控制观点的表达f(P1，P2，…Pi，R1，R2,…Yj，Y1，Y2，…Yk，P1.,P2.,···Pi.,R1.,R2.,···Yj.,Y1.,Y2.,···Yk.,]]>P1..,P2..,···Pi..,R1..,R2..,···Yj..,Y1..,Y2..,···Yk..,]]>ΔP1，ΔP2，…ΔPi，ΔR1，ΔR2，…ΔR，ΔY1，ΔY2，…ΔYk，ΔP1.,ΔP2.,···ΔPi.,ΔR1.,ΔR2.,···ΔRj.,ΔY1.,ΔY2.,···ΔYk.,]]>ΔP1..,ΔP2..,···ΔPi..,ΔR1..,ΔR2..,···ΔRj..,ΔY1..,ΔY2..,···ΔYk..,]]>，t)＝预设ZMP(ZMPX，ZMPY，ZMPZ)+ΔZMP(ΔZMPX，ΔZMPY，ΔZMPZ)≤S(SX，SY，SZ)t时间预设ZMP(ZMPX，ZMPY，ZMPZ)ZMP目标位置(X方向目标位置，Y方向目标位置，Z方向目标位置)ΔZMP(ΔZMPX，ΔZMPY，ΔZMPZ)ZMP差(X方向差，Y方向差，Z方向差)S(SX，SY，SZ)实际稳定区(X方向区，Y方向区，Z方向区)f(P1，P2，…Pi，R1，R2，…Yj，Y1，Y2…Yk，P1.,P2.,···Pi.,R1.,R2.,···Yj.,Y1.,Y2.,···Yk.,]]>P1..,P2..,···Pi..,R1..,R2..,···Yj..,Y1..,Y2..,···Yk..,]]>ΔP1，ΔP2，…ΔPi，ΔR1，ΔR2，…ΔR，ΔY1，ΔY2，…ΔYk，ΔP1.,ΔP2.,···ΔPi.,ΔR1.,ΔR2.,···ΔRj.,ΔY1.,ΔY2.,···ΔYk.,]]>ΔP1..,ΔP2..,···ΔPi..,ΔR1..,ΔR2..,···ΔRj..,ΔY1..,ΔY2..,···ΔYk..,]]>，t)根据目标值和对应自由度的差计算实际ZMP位置的函数Pi围绕第i个俯仰轴的自由度的角度目标值 围绕第i个俯仰轴的自由度的角速度目标值 围绕第i个俯仰轴的自由度的角加速度目标值ΔPi起因于围绕第i个俯仰轴的自由度的间隙对角度目标值的偏离 起因于围绕笫i个俯仰轴的自由度的间隙对角速度目标值的偏离 起因于围绕第i个俯仰轴的自由度的间隙对角加速度目标值的偏离Ri围绕第i个滚动轴的自由度的角度目标值 围绕第i个滚动轴的自由度的角速度目标值 围绕第i个滚动轴的自由度的角加速度目标值ΔRi起因于围绕第i个滚动轴的自由度的间隙对角度目标值的偏离 起因于围绕第i个滚动轴的自由度的间隙对角速度目标值的偏离 起因于围绕第i个滚动轴的自由度的间隙对角加速度目标值的偏离Yi围绕第i个偏转轴的自由度的角度目标值 围绕第i个偏转轴的自由度的角速度目标值 围绕第i个偏转轴的自由度的角加速度目标值ΔYi起因于围绕第i个偏转轴的自由度的间隙对角度目标值的偏离 起因于围绕第i个偏转轴的自由度的间隙对角速度目标值的偏离 起因于围绕第i个偏转轴的自由度的间隙对角加速度目标值的偏离(2)基于动态闭合误差观点的表达|g(P1，P2，...Pi，R1，R2，...Yj，Y1，Y2，...Yk)|＝ΔC(ΔCX，ΔCY，ΔCZ，ΔCp，ΔCr，ΔCy)g(P1，P2，...Pi，R1，R2，...Yj，Y1，Y2，...Yk，)根据对应目标值计算动态闭合误差的函数ΔC(ΔCX，ΔCY，ΔCZ，ΔCp，ΔCr，ΔCy)动态闭合误差的最大值ΔCXX方向动态闭合误差ΔCYY方向动态闭合误差ΔCZZ方向动态闭合误差ΔCp围绕俯仰轴动态闭合误差ΔCr围绕滚动轴动态闭合误差ΔCy围绕偏转轴动态闭合误差为满足方程ΔC(ΔCX，ΔCY，ΔCZ，ΔCp，ΔCr，ΔCy)＝0求ΔPi，ΔRj，ΔYk的最小值因此，每个关节间隙范围根据上述表达式(1)和(2)确定。附录虽然已参照附图对本发明作了详细说明，但本领域人士显然会在不背离本发明精神的情况下对上述实施例加以修改和选择。
另外，本发明的精神也不总限于叫机器人的产品。也就是说，本发明也适用于其它如玩具之类的工业领域，只要它们是执行通过利用电或磁的效应模仿人类动作的动作的。
最后，这个说明中的描述不应以有限的方式来解释，因为它是以示范的形式公开的。为了理解本发明的精神，应当看开头所述权利要求。
工业适用性根据本发明，可提供一种优秀的以腿行走的机器人，这种机器人，通过转换其站立模式，例如通过交替用一条或左右两条可动腿站立，可稳定而准确地执行腿动操作，同时，还为这种机器人提供一种优秀的运动控制方法。
另外，根据本发明，可提供一种优秀的以腿行走的机器人，这种机器人，在它从开放联系机制到闭合联系机制改变其与地板、墙壁或其它的联系机制时，例如在它从单腿站立模式到双腿站立模式转换其站立模式时，可根据预期值与实际值的差所引起的分离或碰撞，执行姿态稳定操作，同时，还为这种机器人提供一种优秀的运动控制方法。
再者，根据本发明，可提供一种优秀的以腿行走的机器人，这种机器人可在与外部世界或工作对象的开放联系模式与闭合联系模式之间执行高速转换操作，而不失去其身体的姿态稳定性，同时，还为这种机器人提供一种优秀的运动控制方法。
权利要求
1.一种以腿行走的机器人至少包括可动腿，其中，每条可动腿有多个关节自由度和被动自由度，并对相应关节提供一种先后次序，以便除去动态闭合误差。
2.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，可动腿是左右可动腿，左右可动腿彼此有基本相同的自由度。
3.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，每个关节自由度由连接有减速器的作动器实现，每个关节的被动自由度由与作动器连接的减速器的间隙实现。
4.如权利要求3的以腿行走的机器人，其中，一个肢的一个较靠近这个肢远端安置的关节比这一肢的另一个关节有较大的间隙。
5.如权利要求3的以腿行走的机器人，其中，一个肢的一个较靠近这个肢远端安置的关节比这一肢的另一个关节在围绕滚动轴的自由度上有较大的间隙。
6.如权利要求3的以腿行走的机器人，其中，一个肢的一个较靠近这个肢远端安置的关节比这一肢的另一个关节在围绕俯仰轴的自由度上有较大的间隙。
7.如权利要求3的以腿行走的机器人，其中，一个肢的一个最靠近这个肢远端安置的关节比这一肢的另一个最靠近这个肢底部安置的关节有较大的间隙。
8.如权利要求3的以腿行走的机器人，其中，一个肢的一个最靠近这个肢远端安置的关节比这一肢的另一个最靠近这个肢底部安置的关节在围绕滚动轴的自由度上有较大的间隙。
9.如权利要求3的以腿行走的机器人，其中，一个肢的一个最靠近这个肢远端安置的关节比这一肢的另一个最靠近这个肢底部安置的关节在围绕俯仰轴的自由度上有较大的间隙。
10.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴的间隙依这种次序变小。
11.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，围绕相应髋关节滚动轴的间隙小于围绕踝关节滚动轴的间隙。
12.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，围绕相应髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴的间隙依这种次序变小。
13.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，围绕相应髋关节俯仰轴的间隙小于围绕踝关节俯仰轴的间隙。
14.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，围绕相应髋关节俯仰轴的间隙小于围绕膝关节俯仰轴的间隙。
15.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，围绕对膝关节俯仰轴的间隙小于围绕踝关节俯仰轴的间隙。
16.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，对应连接的波动，在除去相应闲置腿着地时所产生的动态闭合误差时出现，以下述次序加以控制脚＞下股骨＞上股骨。
17.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，全肢在每个自由度上的间隙和被控制。
18.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，一个下肢围绕滚动轴的间隙和在0.05-2.0度范围内。
19.如权利要求1的以腿行走的机器人，其中，一个下肢围绕俯仰轴的间隙和在0.10-4.0度范围内。
20.一种机器人装置至少有一个具有至少围绕滚动轴和俯仰轴的自由度的关节，其中，这个关节有滚动轴间隙ΔR和俯仰轴间隙ΔP，这些间隙满足下述条件ΔR＞ΔP。
21.如权利要求20的机器人装置，其中，俯仰轴间隙ΔP至少是滚动轴间隙ΔR的1.5倍。
22.一种用于一种包括至少可动腿，而每条可动腿有多个由位置伺服控制确定的关节自由度的以腿行走的机器人的运动控制方法，包括为除去相应关节的动态闭合误差向这个相应关节提供被动自由度的步骤。
23.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，动态闭合误差通过调整相应关节的比例增益除去。
24.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，可动腿是左右可动腿，和其中，在提供被动自由度的步骤中，相应关节的比例增益这样调整，以致左右可动腿基本上有彼此相同的被动自由度。
25.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，用于驱动相应关节的作动器的比例增益或非比例增益这样调整，以致一个肢的一个较靠近这个肢远端安置的关节比这一肢的另一个关节有较大的被动自由度。
26.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，用于驱动相应关节的作动器的比例增益这样调整，以致一个肢的一个较靠近这个肢开放-闭合模式转换部分安置的关节比这一肢的另一个关节有较大的被动自由度。
27.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，用于驱动相应关节自由度的作动器的比例增益这样调整，以致一个肢的一个较靠近这个肢远端安置的关节比这一肢的另一个关节有较大的围绕滚动轴的被动自由度。
28.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，用于驱动相应关节自由度的作动器的比例增益这样调整，以致一个肢的一个较靠近这个肢远端安置的关节比这一肢的另一个关节有较大的围绕俯仰轴的被动自由度。
29.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，用于驱动相应关节自由度的作动器的比例增益这样调整，以致一个肢的一个最靠近这个肢远端安置的关节比另一个最靠近这个肢底部安置的关节有较大的被动自由度。
30.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，用于驱动相应关节自由度的作动器的比例增益或非比例增益这样调整，以致一个肢的一个最靠近这个肢远端安置的关节比另一个最靠近这个肢底部安置的关节有较大的围绕滚动轴的被动自由度。
31.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，用于驱动相应关节自由度的作动器的比例增益或非比例增益这样调整，以致一个肢的一个最靠近这个肢远端安置的关节比另一个最靠近这个肢底部安置的关节有较大的围绕俯仰轴的被动自由度。
32.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，在提供被动自由度的步骤中，相应关节的比例增益或非比例增益这样调整，以致围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴的被动自由度依这种次序变小。
33.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，在提供被动自由度的步骤中，在开-闭模式转换期间，即腿从它的站立模式到它的闲置模式转换它的站立模式时，相应关节的比例增益或非比例增益这样调整，以致围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴的被动自由度依这种次序变小。
34.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，在提供被动自由度的步骤中，相应关节的比例增益这样调整，以致髋关节滚动轴的可动范围小于踝关节滚动轴的可动范围。
35.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，可动腿至少有围绕相应髋关节滚动轴、踝关节滚动轴、髋关节俯仰轴、膝关节俯仰轴、踝关节俯仰轴和髋关节偏转轴的关节自由度，和其中，在提供被动自由度的步骤中，相应关节的比例增益这样调整，以致髋关节俯仰轴的可动范围小于踝关节俯仰轴的可动范围。
36.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，相应关节的比例增益这样调整，以致对应连接的波动，在除去对应闲置腿着地时所产生的动态闭合误差时出现，以下述次序加以控制脚＞下股骨＞上股骨。
37.如权利要求21的用于以腿行走机器人的运动控制方法，其中，在提供被动自由度的步骤中，对全肢在每个自由度上的被动自由度的和可加以控制。
全文摘要
在至少有一个转动关节(至少有两个自由度)的机器人中，为了执行在与外部世界或工作对象的闭合联系模式与开放联系模式之间的高速转换操作，每一肢设有为除去动态闭合误差的最低要求的被动自由度(如减速器的间隙)，并且对这一肢的可动范围进行适当控制。甚至在用于驱动相应关节的作动器没有办法获得扭力矩信号时，也可稳定实现在闭合联系模式与开放联系模式之间的高速转换操作。
文档编号B62D57/00GK1476372SQ02803088
公开日2004年2月18日 申请日期2002年8月1日 优先权日2001年8月1日
发明者森直人, 入部正继, 山口仁一, 一, 继 申请人:索尼公司, 山口仁一