专利名称：腿式机器人以及腿式机器人的行走控制方法
技术领域：
本发明涉及控制腿联合体(脚リンク)可摆动地连结在躯体(躯干)上的机器(腿式机器人的机械系统)并使其行走的技术。详细地说，涉及即使在有意料之外的外部干扰力作用时也能够稳定地持续行走的腿式机器人、及其行走控制方法。
背景技术：
目前正在开发通过改变左腿联合体、躯体、以及右腿联合体的相对姿势来行走的腿式机器人。
为了行走，腿式机器人需要指示左脚、躯体以及右脚如何运动的数据。其中，躯体位置相对于脚部位置必须为适当的值，如果该值不适当的话，机器人就会摔倒。
为了获得腿式机器人不会摔倒的躯体位置，需要考虑机器人的动态并进行复杂的计算。该计算过程大致如下。
(1)指定指示机器人的左脚和右脚的位置的经时数据。
(2)考虑脚部位置来指定机器人的ZMP必定存在的位置。ZMP(zero moment point，零力矩点)是指作用于机器人的重力、地面反作用力、惯性力的合力的力矩为零的地面上的点。如果ZMP位于着地腿的脚掌以内，机器人就不会摔倒。换言之，为了使机器人不摔倒，ZMP必须位于着地腿的脚掌以内。因此，考虑着地腿的脚部位置来指定满足下述关系的目标ZMP。即，指定以下ZMP在一只腿联合体(例如左腿)悬空期间位于着地腿(右腿)的脚掌以内，当该腿(左腿)着地、从而变为两脚着地的状态时，开始向新着地的腿(左腿)的脚掌以内移动，至此，在着地的腿(右腿)悬空以前，完成向新着地的腿(左腿)的脚掌以内的移动。这样指定的ZMP被称为目标ZMP。如果实际的ZMP像目标ZMP那样移动，机器人就不会摔倒并可以持续行走下去。
(3)指定了脚部位置的变化和随之改变的目标ZMP之后，假定躯体位置的经时变化并计算机器人的动态。当进行计算时，由于指定了脚部轨迹，所以假定了机器人的躯体位置以后，机器人的姿势就确定了。一旦机器人的姿势确定了，就可以计算出该姿势下的ZMP的位置。为了计算ZMP的位置，除了静态要素以外，还必须考虑作用于机器人的惯性力的影响。通过在计算中包括假定的躯体位置的经时变化，甚至能够考虑机器人的动态来计算ZMP的位置。由于假定了躯体位置的经时变化(躯体轨迹)后可以计算出ZMP的位置，因此可以求出实现与目标ZMP一致的ZMP的躯体轨迹(躯体位置的经时变化)。
将通过上述而求出的表示躯体位置的经时变化的数据称为躯体步态数据，将表示原来指定的脚部位置的经时变化的数据称为脚部步态数据，将两者统称为步态数据。如果机器人按照步态数据来行走的话，实际的ZMP将与目标ZMP一致，机器人不会摔倒，从而可以持续行走。
作为步态数据，给出的是位置相对于时间的变化，由于位置、速度和加速度相互关联，从其中的一个量可以计算出其他量，因此步态数据可以是位置、速度或加速度。在本说明书中，由于通过位置、速度、加速度中的某一个来描述步态数据，因此将其称为描述运动的数据。
作为对产生与目标ZMP一致的ZMP的躯体运动进行计算的方法，典型的例子是跟随目标脚部运动的变化来计算使机器人能够持续行走的目标躯体运动的经时变化的方法，但不限于此。通常来说，腿式机器人具有躯体、以及可摆动地连结在躯体上的腿联合体，一旦指示了描述目标脚部运动的经时变化的脚部步态数据，则跟随目标脚部运动的变化计算出躯体步态数据，并使用被指示的脚部步态数据和计算出的躯体步态数据来行走，其中所述躯体步态数据描述可以持续行走的目标躯体运动的经时变化。计算出的躯体步态数据除了与躯体位置相关的数据以外，有时还包括与躯体的倾斜角度相关的数据(如果预先使躯体的倾斜角度遵循预定的模式，则不需要计算躯体的倾斜角度)。与躯体的位置或倾斜角度相关的数据可以是位置或角度自身，也可以是其变化速度，或是其加速度。
有时，有意料之外的外部干扰力作用于机器人。有时是意料之外的路面的凹凸所造成的意料之外的外部干扰力，有时是来自外界的推、拉机器人的外力。由于机器人的结构上的挠曲、机器人的关节的松动、或机器人的响应延迟等造成偏离步态数据的情况与意料之外的外部干扰力作用在机器人上一样。
如果有意料之外的外部干扰力的作用，有时机器人会失去平衡。因此，提出了记载于日本专利文献特开平5-305579号公报中的行走控制装置。
在日本专利文献特开平5-305579号公报所记载的行走控制装置中，通过测定作用于机器人的地面反作用力或地面反作用力的力矩来实际测定ZMP位置。通过对实际测定的ZMP位置和目标ZMP位置进行比较并将其偏差反馈给两个脚掌的目标位置和姿势来实现稳定的行走。
发明内容
在日本专利文献特开平5-305579号公报所记载的行走控制装置中，需要检测地面反作用力或地面反作用力的力矩，为了检测出地面反作用力或地面反作用力的力矩，需要在右腿和左腿的脚部附近安装六轴力传感器等高性能传感器。
六轴力传感器等高性能传感器价格昂贵。另外，脚部是在机器人的行走过程中着地冲击负荷重复作用的部位，因此如果在脚部附近安装传感器的话，传感器由于冲击负荷很容易产生故障。一旦安装在脚部的力传感器产生了故障，机器人就无法持续行走。另外，当在脚部安装力传感器时，需要很多部件以将信号从力传感器传至计算部。即使只有一个部件产生了故障，来自力传感器的信号也无法正确地传至计算部，结果将造成力传感器陷入无法工作的状态。
从上述背景看来，为了降低腿式机器人的制造成本并提高其可靠性，需要不必在脚上安装力传感器、而以更简单的结构来实现稳定的行走的技术。
本发明是为了解决上述现有的技术问题而创造的，提供一种即使不在脚部安装力传感器也能够稳定地持续行走的腿式机器人、以及用于其的行走控制方法。
本发明所创造的腿式机器人具有躯体、以及可摆动地连结在躯体上的腿联合体。并且，具有描述目标脚部运动的经时变化的脚部步态数据的存储装置、以及描述目标躯体运动的经时变化的躯体步态数据的存储装置。目标躯体运动被设定为能够跟随目的脚部运动的变化而持续行走。例如，存储使实际的ZMP与跟随目标脚部位置变化的目标ZMP相一致的躯体运动。
本发明的机器人还具有检测实际的躯体运动的躯体运动检测装置、以及计算目标躯体运动与实际的躯体运动之间的偏差的偏差计算装置。并且，还具有修正装置，该修正装置根据计算出的偏差和规定的传递函数求出修正量，并根据该修正量对存储在躯体步态数据存储装置中的躯体步态数据进行修正。
也可以将本发明理解为行走控制方法。在本发明的行走控制方法中，执行以下步骤存储描述目标脚部运动的经时变化的脚部步态数据的步骤；以及存储描述目标躯体运动的经时变化的躯体步态数据的步骤。目标躯体运动被设定为能够跟随目标脚部运动的变化而持续行走。例如，存储使实际的ZMP与跟随目标脚部位置的变化的目标ZMP一致的躯体运动。
在本发明的行走控制方法中，具有检测实际的躯体运动的步骤、以及计算目标躯体运动与实际的躯体运动之间的偏差的步骤。并且，还执行以下步骤，即根据计算出的偏差和规定的传递函数求出修正量，根据该修正量来修正躯体步态数据，并向计算机器人的关节角度的装置指示经修正的躯体步态数据的步骤。在机器人中设置有对机器人的每个关节的关节角度进行计算的装置。
在上述腿式机器人及其行走控制方法中，监视机器人实际的躯体运动，并根据其与目标躯体运动的偏差求出描述目标躯体运动的躯体步态数据的修正量。由于直接对躯体运动进行反馈控制，所以能够使躯体运动保持稳定。因此，机器人不会失去平衡，从而能够稳定地持续行走下去。
通过实验确认到的是通过监视实际的躯体运动来进行反馈控制，即使不实际测定ZMP位置来进行反馈控制，也能够持续行走。确认了即使有外部干扰力等的作用也能够持续行走。
通过该控制方法，不需要实际测定ZMP位置，从而不需要用于该目的的力传感器。可以实现低价、高可靠性的行走机器人。
优选通过偏差计算装置计算目标躯体加速度和实际的躯体加速度的偏差。此时，可以根据加速度的偏差计算出作用于机器人的意料之外的外部干扰力的大小。因此，可以计算出使补偿外部干扰力的力作用于机器人所需的目标躯体运动的修正量。在修正量计算过程中，根据通过加速度偏差计算出的外部干扰力和规定的传递函数求出修正量。
一旦向机器人指示了通过计算出的修正量修正后的目标躯体运动，机器人就可以在补偿外部干扰力的影响的同时持续行走了。由于比较容易在躯体上安装加速度传感器，因此该方式非常实用。
当根据加速度偏差并利用传递函数来计算目标躯体位置的修正量时，传递函数优选包括比例要素。在这种情况下，当实际的躯体位置偏离了目标躯体位置时，计算出与该偏离成比例的修正量，结果能够获得通过弹簧拉向目标躯体位置的现象。
并且，传递函数优选除了比例要素之外还包括一次滞后要素或二次滞后要素或该两者。此时，当实际的躯体位置偏离了目标躯体位置时，计算与位置的偏离的变化速度和/或加速度成比例的修正量，结果能够获得使其向目标躯体位置回归的现象。
当能够检测出实际的躯体位置时，优选使根据加速度偏差进行修正后的目标躯体位置与实际的躯体位置的偏差与进行反馈处理的量相加，由此对目标躯体位置再次进行修正。
此时，即使当机器人在不平整的地面上行走而造成机器人整体倾斜时，也能够对实际的躯体位置进行反馈控制以使其回归到目标躯体位置，从而可以通过简单的机构而使机器人在不平整的地面上稳定地行走。
根据本发明，能够实现不在脚部使用力传感器就可以稳定地持续行走的腿式机器人。可以实现廉价且可靠性高的腿式机器人。
通过参照以下附图可以更好地理解本发明。对于附图的构成要素，为了明确地示出本发明的原理，使用了强调的方式，而不都是固定的缩小比例尺。在附图中，参照标号在不同的附图中表示相对应的部分。
图1是表示腿式移动机器人的行走概况的示意图；图2是模块化表示第一实施例的计算机装置的功能的示意图；图3是模块化表示第一实施例的躯体步态数据修正计算部的功能的框图；图4是躯体的力学模型的示意图；图5是简要示出作用于躯体的、向理想轨迹的回归力的示意图；图6(a)和图6(b)是简要表示目标躯体运动的修正给躯体的运动带来的效果的示意图；图7是表示第一实施例的机器人的行走控制方法的处理步骤的示意图；图8是表示第一实施例的躯体步态数据的修正计算的处理步骤的示意图；图9是模块化表示第二实施例的计算机装置的功能的示意图；图10是模块化表示第二实施例的躯体步态数据修正计算部的功能的示意图；图11是表示第二实施例的躯体步态数据的修正计算的处理步骤的示意图。
具体实施例方式
下面，通过实验例来更加详细地说明本发明，但这并不意味着本发明限定于实验例。
(第一实施例)
使图1所示的机器人6的左腿在其右腿着地期间悬空并沿轨迹7移动，然后当左腿着地后使右腿悬空并沿轨迹8移动，然后同样地使左腿悬空并沿轨迹9移动，然后使右腿悬空并沿轨迹10移动，从而持续行走下去。
机器人6为了持续行走，需要由描述脚部基准点L、R的轨迹7、8、9、10的脚部轨迹数据、腕部轨迹数据、以及描述躯体12的基准点W的轨迹的躯体轨迹数据构成的步态数据。脚部轨迹数据由操控者指定。与脚部轨迹数据相对应地计算出腕部轨迹数据。躯体轨迹数据被设定为使用机器人的力学模型计算出的ZMP轨迹与目标ZMP轨迹一致的关系。
为了控制机器人的行走，在机器人6的躯体12上安装计算机装置14。计算机装置14具有CPU、ROM、RAM、硬盘等。计算机装置14的硬件结构与通用的计算机相同，因此省略其说明。计算机装置14存储有步态数据，根据该数据来控制机器人6的各个关节组。
在本实施例中，如图1所示，将机器人6的行走方向作为x轴，将身体侧面方向作为y轴，将高度方向作为z轴。
图2是将计算机装置14的功能模块化的示意图。在图2所示的元件中，机器人的机械系统216和躯体加速度传感器218之外的部分是计算机装置14的构成元件。计算机装置14在物理上既可以整体包括在一个装置中，也可以分别容纳在各个分离的装置中。
在步态数据存储装置210中存储有预先计算出的机器人6的步态数据。步态数据是指腕部轨迹数据(腕部步态数据)、脚部轨迹数据(脚部步态数据)以及躯体轨迹数据(躯体步态数据)。在预先存储的步态数据中，腕部轨迹数据和脚部轨迹数据直接输入关节角组计算装置212。躯体步态数据被输入躯体步态数据修正计算部222，伴随着机器人6的行走每次均被修正，表示经修正的躯体轨迹的数据被输入各关节角组计算装置212。
各关节角组计算装置212根据输入的步态数据并通过解所谓的逆运动学来计算机器人6的各关节角度θ1(t)、θ2(t)、θ3(t)、…。将计算出的各关节角组数据输入致动器控制部214。
致动器控制部214控制使图1的机器人6的关节组旋转的致动器组。致动器组位于机器人的机械系统216中。一旦控制了致动器组，就可以将机器人6的关节角度调节成所计算出的关节角度。机器人6按照步态数据来行走。
在躯体12上安装有躯体加速度传感器218，检测躯体的x方向(行走方向)、y方向(躯体侧面方向)和z方向(高度方向)的加速度。躯体加速度计算装置220将通过躯体加速度传感器218检测出的实际躯体加速度axr、ayr、azr输出给躯体步态数据修正计算部222。
躯体步态数据修正计算部222根据存储在步态数据存储装置210中的躯体轨迹数据(躯体步态数据)和躯体加速度计算装置220计算出的机器人的实际躯体加速度，对躯体轨迹数据进行修正。后面将详细地说明躯体轨迹数据的修正。经修正的躯体轨迹数据被输入各关节角组计算装置212。
图3是示出躯体步态数据修正计算部222的详细情况的框图。在图3中，为了使图示明确，仅示出了x方向的情况。y方向和z方向与其相同。脚部轨迹数据和腕部轨迹数据不经修正而被直接指示给关节角组计算装置212。
在躯体步态数据修正计算部222中，通过装置304计算出目标躯体加速度axo、ayo、azo，该装置304进行目标躯体位置xo、yo、zo(各自随着时间而改变)对时间的二阶微分运算，该目标躯体位置xo、yo、zo由存储在步态数据存储装置210中的躯体步态数据表示。
在偏差计算装置312中，从实际的躯体加速度axr、ayr、azr中减去目标躯体加速度axo、ayo、azo，从而计算出加速度偏差Δax、Δay、Δaz。
外部干扰力计算装置310通过使计算出的加速度偏差Δax、Δay、Δaz与机器人的质量M相乘来计算推定作用于机器人的外部干扰力Drx、Dry、Drz的大小。当机器人的关节等有松动、或有对控制的响应延迟、或有来自外部的外力作用时，实际的躯体加速度不是目标躯体加速度，由于意料之外的外部干扰力而产生了加速度偏差Δax、Δay、Δaz。可以根据加速度偏差Δax、Δay、Δaz来计算作用于机器人的外部干扰力Drx、Dry、Drz的大小。
目标修正量计算装置308输入计算出的外部干扰力Drx、Dry、Drz，并根据传递函数1/G(s)求出目标躯体位置的修正量xd、yd、zd。传递函数1/G(s)由设二次项的系数为Mi、设一次项的系数为Ci、设零次项的系数为Ki的延迟要素构成。Mi、Ci、Ki是期望的参数，被预先指定。目标修正量计算装置308的处理相当于例如针对x方向来解微分方程Drx＝Mi·xd(2)+Ci·xd(1)+Ki·xd(0)而求出xd。在这里，(2)表示与时间相关的二阶微分，(1)表示与时间相关的一阶微分，(0)表示xd自身。
并且，根据修正量xd的符号的取法，有时以-Drx＝Mi·xd(2)+Ci·xd(1)+Ki·xd(0)来表示也是正确的。
目标躯体位置修正装置306使步态数据存储装置210所存储的修正前的目标躯体位置xo、yo、zo与修正量xd、yd、zd相加，从而计算出修正后的目标躯体位置xref、yref、zref，并指示给关节角组计算装置212。
下面对上述修正目标躯体轨迹数据的控制规则所起的作用进行说明。
图4示出了机器人的力学模型。躯体12位于目标躯体位置时的躯体由402表示，偏离目标躯体位置时的躯体由404表示。
图4的(1)式表示机器人的通常运动方程式。F表示作用于躯体的全部外力，M表示躯体的质量，a表示躯体的加速度。
对于躯体来说，存在着适于行走的理想轨迹(目标轨迹)。目标轨迹是在外部干扰力不作用于机器人的情况下实现与目标ZMP一致的ZMP的躯体轨迹。
(2)式表示沿目标躯体轨迹运动的机器人的躯体402的运动方程式。Fo表示作用于躯体402的全部外力，ao表示躯体402的目标加速度。
Fo是沿目标躯体轨迹运动时作用于躯体402的全部外力，是机器人在进行理想的行走的状态下从腿联合体作用于躯体的内力和作用于机器人的躯体的重力的合力。
由于实际的躯体的运动受无法预测的路面的凹凸、机器人的结构上的挠曲等外部干扰力的影响，因此难以控制其沿目标躯体轨迹运动。将实际的躯体的运动称为实际轨迹。
(3)式表示沿实际轨迹运动的机器人的躯体404的运动方程。Fr表示作用于躯体404的全部外力，ar表示躯体404的实际的加速度。
(4)式表示作用于机器人的躯体的外部干扰力的推算式。Dr表示将作用于机器人的外部干扰力对躯体运动的影响作为作用于躯体重心的外力来进行表现的外部干扰力。Fo是沿目标躯体轨迹运动时作用于躯体的全部外力，是机器人在进行理想的行走的状态下从腿联合体作用于躯体的内力和作用于机器人的躯体的重力的合力。Fr是作用于沿实际轨迹运动的躯体的全部外力，是在机器人进行理想的行走的状态下从腿联合体作用于躯体的内力、作用于机器人的躯体的重力、以及外部干扰力的合力。因此，通过取Fr和Fo的差，可以推定作用于躯体的外部干扰力Dr。
(5)式、(6)式是计算在实施例中使用的目标躯体位置的修正量xd的式子。传递函数g(s)描述图5所示的“弹簧-质点-减震器系统”。
图5是表示通过对目标躯体位置进行修正，使其回归到理想轨迹的力作用于机器人的躯体的关系的模式图。
修正前的目标躯体位置510是实现与目标ZMP一致的ZMP的理想的躯体位置。
实际上，由于外部干扰力Dr的作用，实际的躯体位置512偏离目标躯体位置510。
修正后的目标躯体位置506是从修正前的目标躯体位置510偏离了xd的点。
通过(6)对目标躯体位置进行修正后，等价于如下的“弹簧-质点-减震器系统”，即经修正的目标躯体位置506与修正前的目标躯体位置510通过弹簧常数为Ki的弹簧502、衰减系数为Ci的减震器508而结合，在修正后的目标躯体位置506处具有质量为Mi的质点504，并在实际的躯体位置512上作用有外部干扰力Dr。“弹簧-质点-减震器系统”的传递函数1/G(s)包括以二次项的系数Mi、一次项的系数Ci、零次项的系数Ki表示的延迟要素，对引起急剧变动的外部干扰力发挥向目标躯体位置回归的回归力，并且起抑制急剧的位置变动的减震器的作用。
零次的系数Ki导出与外部干扰力Dr成比例的目标躯体位置的修正量。一次系数Ci导出与外部干扰力Dr的一次滞后要素成比例的目标躯体位置的修正量。二次系数Mi导出与外部干扰力Dr的二次滞后要素成比例的目标躯体位置的修正量。
其中，比例要素的系数Ki不可缺少，但可以省略一次滞后要素的系数Ci和二次滞后要素的系数Mi中的一个或它们两个。可以确认的是即使使一次滞后要素的系数Ci和二次滞后要素的系数Mi中的一个或它们两个为零，机器人也能够稳定地持续行走。
图6(a)和图6(b)简要示出了对目标躯体运动进行修正的效果。
图6(a)表示不对目标躯体运动进行修正的机器人行走的情况。如果外部干扰力Dr作用于躯体，则机器人的躯体位置602跟随外部干扰力Dr而偏离理想轨迹。当外部干扰力引起急剧的变化时，由于实际的躯体运动也急剧地改变，因此行走变得不稳定。
图6(b)表示对目标躯体运动进行修正的机器人行走的情况。如果外部干扰力Dr作用于机器人，则使目标躯体位置向外部干扰力Dr的作用方向的相反一侧修正xd。结果，产生与使质量为Mi的质点以加速度sd(2)向相反一侧运动相同的力。在机器人上作用与通过弹簧常数为Ki的弹簧502和衰减系数为Ci的减震器508来结合机器人和质量为Mi的质点、并使质量为Mi的质点离开距离xd时相同的力。该力对外部干扰力Dr进行补偿。机器人的躯体位置向目标躯体位置回归。接近修正前的目标躯体位置后，修正量xd变小。通过对目标躯体位置进行修正，机器人的实际的躯体位置向修正前的目标躯体位置回归。
从机器人的动力学特性方面来看，成为通过延迟要素610来补偿外部干扰力Dr，相当于利用弹簧和减震器而将机器人维持在目标位置606附近。
由等价的动态系统明确可知，根据本实施例的控制技术，可以通过用于补偿外部干扰力的控制而除去急剧的变动，并通过普通性能的致动器就可应付。机器人能够不急剧变动地，很好地跟随目标躯体轨迹。经过实际测试，可以确认机器人的躯体能够稳定地持续行走。观测者可以放心地对机器人行走的情况进行观测。
图7表示机器人6的行走控制方法的处理步骤。
在步骤S2中，将描述目标脚部位置、腕部位置、以及躯体位置的经时变化的步态数据存储在步态数据存储装置210中。
在步骤S4中，机器人开始行走。开始行走后，机器人重复执行步骤S8以下的步骤。即，每隔预定的时间(Δt)就重复执行从步骤S8至步骤S16的处理。
在步骤S8中，根据目标躯体运动和实际躯体运动的差对描述目标躯体运动的数据(躯体步态数据)进行修正，以使机器人稳定地行走。后面将详细说明在步骤S8中执行的处理的情况。
在步骤S12中，向关节角组计算装置214输入步态数据存储装置210所存储的脚部轨迹数据和腕部轨迹数据、以及通过步骤S8修正的躯体轨迹数据。
在步骤S14中，由关节角组计算装置212根据输入的步态数据来计算机器人6的各个关节的关节角度。计算出的关节角组数据被指示给机器人的致动器控制部214。致动器控制部214控制使机器人6的各个关节旋转的致动器组。由此将机器人6的关节角度调节为计算值。
如上所述，每隔预定的时间(时间间隔Δt)就重复执行从步骤S8至步骤S16的处理(步骤S6)。
图8示出了步骤S8的躯体步态数据修正计算的处理步骤的详细情况。
在步骤S22中，根据步态数据存储装置210所存储的躯体步态数据来计算目标躯体加速度。
在步骤S24中，读入躯体加速度传感器218的检测值。
在步骤S26中，由躯体加速度计算装置220根据躯体加速度传感器218的检测值来求出实际躯体加速度。
在步骤S28中，由偏差计算装置312求出目标躯体加速度和实际躯体加速度的偏差。
在步骤S30中，由外部干扰力计算装置310根据计算出的加速度偏差求出导致该加速度偏差的外部干扰力Dr的大小。
在步骤S32中，由目标修正量计算装置308根据外部干扰力Dr的大小和传递函数1/G(s)而计算出躯体位置修正量。
在步骤S34中，通过修正装置306使步态数据存储装置210所存储的修正前的目标躯体位置与躯体位置修正量相加，从而计算出修正后的目标躯体位置，并指示给关节角组计算装置212。
也可以在机器人之外安装计算机装置14的一部分或全部。例如，可以在机器人以外设置步态数据存储装置210和躯体步态数据修正计算部222。此时，将检测出的机器人的实际躯体加速度通过无线或有线信号传给躯体步态数据修正计算部222，并将经修正的步态数据通过无线或有线信号传给机器人。也可以在机器人以外安装关节角组计算装置212。将计算出的关节角度数据通过有线或无线信号传给致动器控制部214。
本实施例的行走机器人即使不在脚部安装力传感器也能够抵抗外部干扰力而稳定地持续行走。
在上述说明中，假定躯体的倾斜角度按照预定的变化模式而改变。当躯体的倾斜角度按照预定的变化模式而改变时，躯体步态数据仅包括与使实际的ZMP和目标ZMP一致的躯体位置相关的数据。对此，也可以计算出使实际的ZMP与目标ZMP一致的“躯体位置和躯体倾斜角度”并将其作为躯体步态数据。
对于躯体倾斜角度来说，既可以是预定的变化模式，也可以是计算出的变化模式，两者均给出表示目标躯体倾斜角度的经时变化的数据。在这里，躯体倾斜角度是指围绕x轴的倾斜角度和围绕y轴的倾斜角度。
本发明的技术不仅对躯体位置有效，而且对躯体角度也有效。如果计算出目标躯体角度对时间的二阶微分值(角加速度)和实际躯体角度的角加速度的偏差，并计算出与该偏差成比例的角度、与偏差的一阶微分成比例的角度、与偏差的二阶微分成比例的角度，再根据这些计算出目标躯体角度的修正量，则可以对躯体角度由于外部干扰力的影响而偏离目标躯体角度进行补偿。本发明通常可以适用于与躯体位置和躯体倾斜角度等躯体位置和姿势相关的运动。
(第二实施例)有时在机器人上安装检测躯体位置的装置。例如，如果安装回转仪的话，除了实际的躯体加速度以外，还可以检测出实际的躯体位置。安装GPS计测传感器也可以检测出实际的躯体位置。也可以通过对躯体加速度进行积分求出躯体速度，另外通过积分还可以检测出躯体位置。
当能够检测出机器人的实际的躯体位置时，可以有效地利用反馈控制环路。一旦有效地利用了反馈控制环路，就可以应对机器人因在不平整的地面上行走而整体倾斜的情况了。下面说明第二实施例，但仅说明与第一图9模块化地示出了第二实施例的机器人的计算机装置的功能，向躯体步态数据修正计算部224输入实际的躯体加速度和实际的躯体位置。
图10是示出躯体步态数据修正计算部224的详细情况的框图。在图10中，为了图示的明确化，仅示出了x方向的情况。y方向和z方向与其相同。
由于在机器人上安装了躯体位置传感器904，因而能够计测实际的躯体位置。躯体加速度计算装置220使实际的躯体位置对时间进行二阶微分而求出实际的躯体加速度。根据求出的躯体加速度来执行与第一实施例相同的处理，并计算出基于加速度偏差的修正量xd。
将通过基于加速度偏差的修正量xd对修正前的目标躯体位置xo进行修正后的目标躯体位置xo+xd输入偏差计算装置906，计算出其与实际的躯体位置xr之间的偏差xo+xd-xr。将躯体位置的偏差xo+xd-xr输入反馈处理模块908，使用传递函数C(s)对其进行处理。使用传递函数C(s)对偏差xo+xd-xr进行处理后得到的值C(s)(xo+xd-xr)与通过基于加速度偏差的修正量而修正了的目标躯体位置xo+xd相加，由此对目标躯体位置再次进行修正。被修正的目标躯体位置最终被修正为xo+xd+C(s)(xo+xd-xr)。
图11示出了第二实施例的躯体步态数据修正计算的处理步骤。
在步骤S54中，读入躯体位置传感器904的检测值。
在步骤S56中，根据躯体位置传感器904的检测值来检测实际的躯体位置和实际的躯体加速度。
在步骤S58中，计算通过基于加速度偏差的修正量xd对修正前的目标躯体位置xo进行修正后得到的目标躯体位置xo+xd与实际的躯体位置xr的偏差xo+xd-xr。
在步骤S60中，通过传递函数C(s)对其进行处理，计算出反馈处理量C(s)(xo+xd-xr)。
在步骤S62中，将指示给关节角组计算装置的目标躯体位置xref修正为xo+xd+C(s)(xo+xd-xr)。
对于第二实施例所示的腿式机器人，通过计算偏差xo+xd-xr并进行反馈控制以使该偏差变小，即使当机器人在不平整的地面上行走而导致机器人整体倾斜时，也能够进行反馈控制以向目标躯体位置回归。
躯体位置传感器也可以是实际测定躯体的倾斜角度的回转仪。一旦通过回转仪判断出躯体的实际的姿态角，就可以通过乘以从着地腿的脚掌中心到躯体的重心的距离R来实际测定相对于着地腿的脚掌中心的躯体位置了。
以上对本发明的实施方式进行了详细的说明，但这些仅为例示，并不限定权利要求的范围。例如对于步态数据，虽然介绍是以时间和位置来描述经时变化的实施例，但也可以是以时间与速度、或时间与加速度的关系来描述脚部、腕部、躯体的运动的经时变化。权利要求所记载的技术包括对以上例示的具体例子进行的各种变形和变更。
另外，通过各个在本说明书或附图中说明的技术要素或者其各种组合来发挥技术作用，但并不限于申请时记载于权利要求中的组合。另外，在本说明书或附图中例示的技术可以同时达到多个目的，但达到其中的一个目的本身就具有技术效果了。
权利要求
1.一种腿式机器人，包括躯体；可摆动地连结在躯体上的腿联合体；脚部步态数据的存储装置，其中该脚部步态数据描述目标脚部运动的经时变化；躯体步态数据的存储装置，其中该躯体步态数据描述可以跟随目标脚部运动的变化而行走的目标躯体运动的经时变化；检测实际的躯体运动的躯体运动检测装置；计算目标躯体运动与实际的躯体运动之间的偏差的偏差计算装置；以及修正装置，根据计算出的偏差和规定的传递函数求出修正量，根据该修正量对躯体步态数据的存储装置中存储的躯体步态数据进行修正。
2.如权利要求1所述的腿式机器人，其特征在于，所述偏差计算装置计算目标躯体加速度与实际的躯体加速度之间的偏差。
3.如权利要求2所述的腿式机器人，其特征在于，所述修正装置根据由加速度偏差计算出的外部干扰力和规定的传递函数求出修正量。
4.如权利要求3所述的腿式机器人，其特征在于，所述传递函数包括比例要素。
5.如权利要求4所述的腿式机器人，其特征在于，所述传递函数包括一次滞后要素和/或二次滞后要素。
6.如权利要求3所述的腿式机器人，其特征在于，所述修正装置在根据加速度偏差修正后的目标躯体位置与实际的躯体位置之间的偏差上加上实施反馈处理的量，由此对目标躯体位置再次进行修正。
7.如权利要求4所述的腿式机器人，其特征在于，所述修正装置在根据加速度偏差修正后的目标躯体位置与实际的躯体位置之间的偏差上加上实施反馈处理的量，由此对目标躯体位置再次进行修正。
8.如权利要求5所述的腿式机器人，其特征在于，所述修正装置使根据加速度偏差进行修正后的目标躯体位置与实际的躯体位置的偏差与进行反馈处理的量相加，并由此对目标躯体位置再次进行修正。
9.一种腿式机器人的行走控制方法，其特征在于，包括以下步骤存储描述目标脚部运动的经时变化的脚部步态数据的步骤；存储躯体步态数据的步骤，其中该躯体步态数据描述可以跟随目标脚部运动的变化而行走的目标躯体运动的经时变化；检测实际的躯体运动的步骤；计算目标躯体运动与实际的躯体运动之间的偏差的步骤；根据计算出的偏差和规定的传递函数求出修正量，根据该修正量对存储的躯体步态数据进行修正的步骤；向机器人的各关节角组计算装置指示经修正的躯体步态数据的步骤。
10.如权利要求9所述的腿式机器人的行走控制方法，其特征在于，在所述计算偏差的步骤中，计算出目标躯体加速度与实际的躯体加速度之间的偏差，在所述修正步骤中，根据由加速度偏差计算出的外部干扰力和规定的传递函数求出修正量。
11.如权利要求10的腿式机器人的行走控制方法，其特征在于，在所述修正步骤中，在根据加速度偏差修正后的目标躯体位置与实际的躯体位置之间的偏差上加上实施反馈处理的量，由此对目标躯体位置再次进行修正。
全文摘要
在本发明中，计算出腿式机器人的目标躯体运动与实际的躯体运动的偏差，并根据计算出的偏差对所述目标躯体运动进行修正。
文档编号B25J13/00GK1914009SQ200580003210
公开日2007年2月14日 申请日期2005年1月26日 优先权日2004年1月28日
发明者山本贵史, 杉原久义, 菅敬介, 津坂祐司, 但马龙介 申请人:丰田自动车株式会社