专利名称：步行式移动装置及其步行控制装置及步行控制方法
技术领域：
本发明涉及一种步行式移动装置，涉及能够检测出脚侧面的接触的步行控制技术。
背景技术：
以往，所谓双腿步行式机器人，生成预先设定的步行图形(以下，称为步态)，按照该步态数据进行步行控制，通过按规定的步行图形使腿部活动，实现双腿步行。
可是，如此的双腿步行式机器人，例如因路面状况、机器人自身的物理参数的误差等，步行时的姿势容易不稳定，有时会倾倒。对此，如果不预先设定步态数据，而是实时地一边确认机器人的步行状态一边进行步行控制，也能够使步行时的姿势稳定，进行步行，但即使在如此的场合，在发生未想到的路面状况等的情况下，步行姿势被打乱，机器人也会跌倒。
为此，需要通过步行控制，进行将机器人的脚底的地面反作用力和重力的合成转矩为零的点(以下，称为ZMP(Zero Moment Point零力矩点))收束在目标值内的所谓ZMP补偿。作为如此的ZMP补偿的控制方法，例如，如日本特开平5-305583号公报所示，已知有利用柔性控制将ZMP收束在目标值内并加速机器人的上体进行修正的方法，或修正机器人的脚的接地场所的控制方法。
可是，如此的控制方法中，通过ZMP规范来谋求机器人的稳定，在该ZMP规范中，以测量水平地面反作用力为前提条件。因此，在以往的双腿步行式机器人中，在脚底具备力传感器，利用该力传感器，测量脚底的水平地面反作用力。
但是，在如此构成的双腿步行式机器人中，如上所述地设在脚底上的力传感器只测量水平地面反作用力，例如在双腿步行式机器人的步行动作中，使脚部移动时，在脚部的侧面碰到障碍物的情况下，双腿步行式机器人不能识别出脚侧面与如此的障碍物的接触，若继续步行，有时会跌倒。
发明内容
本发明是针对以上问题提出的，目的是提供一种能够检测脚侧面与障碍物等物体的接触并能实现步行稳定性的步行式移动装置和其步行控制装置及步行控制方法。
为实现上述目的的本发明的第一构成是一种步行式移动装置，具有本体；多个腿部，在上体的下部两侧安装成可在二个轴方向摆动，且在中间具有膝部；脚部，在各腿部的下端安装成可在二个轴方向摆动；驱动机构，使各腿部、膝部及脚部摆动；步态生成部，与要求动作相对应地生成包含目标角度轨道、目标角速度、目标角加速度的步态数据；以及步行控制装置，根据该步态数据对上述驱动机构进行驱动控制；并且，上述步行控制装置包括检测施加在各脚部的脚底上的力的力传感器和根据由上述力传感器检测出的力中的水平地面反作用力修正来自步态生成部的步态数据的补偿部，而且，上述力传感器分别被设置在各脚部的脚底的分割成多个的区域，设置在与各脚底的端缘邻接的区域中的力传感器分别检测脚侧面的接触；上述补偿部一边参照脚侧面的接触，一边修正来自步态生成部的步态数据。
最好是，上述力传感器是三轴力传感器，在与上述各脚底的端缘邻接的区域，作为对应的力传感器的检测部件的底板外缘的至少一部分，形成以该力传感器为中心的圆弧面。
在本发明的步行式移动装置中，最好是，上述力传感器是三轴力传感器，上述补偿部具有根据来自各力传感器的检测信号来计算六个轴方向的力的六轴力计算部，和通过分解力成分来检测出脚侧面的接触的接触检测部。此外，最好是，上述接触检测部判断来自各力传感器的检测信号是由来自地面的力产生的、还是由与地面上物体的接触产生的，并向补偿部输出哪个力传感器检测出了脚侧面的接触的标志信息。
此外，实现上述目的的本发明的第二构成是一种步行式移动装置的步行控制装置实现，其中，该步行式移动装置包括本体；多个腿部，在本体的下部两侧安装成可在二个轴方向摆动，且在中间具有膝部分；脚部，在各腿部的下端安装成可在二个轴方向摆动；以及驱动机构，使各腿部、膝部及脚部摆动；该步行控制装置，根据与要求动作相对应地由步态生成部生成的、包含目标角度轨道、目标角速度、目标角加速度的步态数据来驱动控制上述驱动机构，包括检测施加在各脚部的脚底上的力的力传感器和根据由上述力传感器检测出的力中的水平地面反作用力来修正来自步态生成部的步态数据的补偿部，而且，上述力传感器分别被设置在各脚部的脚底的分割成多个的区域，设置在与各脚底的端缘邻接的区域中的力传感器分别检测脚侧面的接触；上述补偿部一边参照脚侧面的接触，一边修正来自步态生成部的步态数据。
最好是，上述力传感器是三轴力传感器，在与上述各脚底的端缘邻接的区域，作为对应的力传感器的检测部件的底板外缘的至少一部分，形成以该力传感器为中心的圆弧面。
在本发明的步行式移动装置的步行控制装置中，最好是，上述力传感器是三轴力传感器，上述补偿部具有根据来自各力传感器的检测信号来计算六个轴方向的力的六轴力计算部，和通过分解力成分来检测出脚侧面的接触的接触检测部。此外，最好是，上述接触检测部判断来自各力传感器的检测信号是由来自地面的力产生的、还是由与地面上物体的接触产生的，并向补偿部输出哪个力传感器检测出了脚侧面的接触的标志信息。
此外，实现上述目的的用本发明的第三构成是一种步行式移动装置的步行控制方法，该步行式移动装置包括本体；多个腿部，在本体的下部两侧安装成可在二个轴方向摆动，且在中间具有膝部分；脚部，在各腿部的下端安装成可在二个轴方向摆动；以及驱动机构，使各腿部、膝部及脚部摆动；根据与要求动作相对应地由步态生成部生成的、包含目标角度轨道、目标角速度、目标角加速度的步态数据来驱动控制上述驱动机构，并且，由力传感器检测出施加在各脚部的脚底上的力，并根据由上述力传感器检测出的力中的水平地面反作用力、由补偿部修正来自步态生成部的步态数据，其包括第一步骤，在各脚部的脚底的分割成多个的区域，利用各力传感器分别检测出力；第二步骤，利用来自力传感器中的、设在与脚底的端缘邻接的区域中的力传感器的检测信号，分别检测脚侧面的接触；第三步骤，上述补偿部一边参照脚侧面的接触、一边修正来自步态生成部的步态数据。
而且，最好是，上述力传感器是三轴力传感器，在与上述各脚底的端缘邻接的区域，作为对应的力传感器的检测部件的底板外缘的至少一部分，形成以该力传感器为中心的圆弧面。本发明涉及的步行式移动装置的步行控制方法中，最好是，上述力传感器是三轴力传感器，上述补偿部具有根据来自各力传感器的检测信号来计算六个轴方向的力的六轴力计算部，和通过分解力成分来检测出脚侧面的接触的接触检测部。此外，最好是，上述接触检测部判断来自各力传感器的检测信号是由来自地面的力产生的、还是由与地面上物体的接触产生的，并向补偿部输出哪个力传感器检测出了脚侧面的接触的标志信息。
如果利用上述构成，根据由分别设在将各脚部的脚底分割成多个的区域中的力传感器检测的水平地面反作用力，补偿部修正来自步态生成部的步态数据，对驱动机构进行驱动控制。此时，补偿部一边参照由上述力传感器中的、在与各脚底的端缘邻接的区域设置的力传感器检测的脚侧面的接触，一边进行步态数据的修正。因此，在步行动作中，机器人的各脚部的脚侧面与物体接触的时候，利用力传感器检测脚侧面的接触，一边参照该脚侧面的接触，一边根据通过与脚底的地面的摩擦力产生的水平地面反作用力修正步态数据，实现本体、最好是机器人上体的稳定化。因此，即使机器人的各脚部、碰到例如地面上的障碍物或台阶等的时候，通过检测脚侧面的接触修正步态数据，也能够确保机器人的稳定性，不会跌倒，能够可靠地进行步行控制。
在上述各分割部分别设置的力传感器是三轴力传感器，在与上述各脚底的端缘邻接的区域，在作为对应的力传感器的检测部件的底板外缘的至少一部分，形成以该力传感器为中心的圆弧面的情况下，在物体与这些区域的外缘的圆弧面的部分接触的时候，由于接触点和力传感器的距离始终相等，因此能够简化基于力传感器的检测信号来计算接触力时的计算过程，能够缩短检测时间。此外，上述补偿部具有根据来自各力传感器的检测信号计算六个轴方向的力的六轴力计算部和通过分解力成分检测脚侧面的接触的接触检测部的情况下，由于能够通过六轴力计算部计算至少二个三轴力传感器生成的六个轴方向的力，因此，通过在各分割部分别设置廉价的三轴力传感器，能够与六轴力传感器同样地检测六个轴方向的力，同时能够降低成本。此外，通过在接触检测部分解力成分，并根据力传感器的构成来判断哪个力传感器检测到了脚侧面的接触，能够检测脚侧面的接触。
上述接触检测部判断来自各力传感器的检测信号是由来自地面的力产生的、还是由与地面上物体的接触产生的，并向补偿部输出哪个力传感器检测出了脚侧面的接触的标志信息，此时，补偿部能够根据该标志信息，一边参照是哪个力传感器检测出了脚侧面的接触，一边进行来自步态生成部的步态数据的修正。
可通过表示以下的详细的发明及本发明的几个实施方式的附图，更好地理解本发明。另外，附图所示的种种实施例，并不是有意特定或限定本发明，只是为了便于说明及理解本发明。
图1是表示本发明的双腿步行式机器人的一实施方式的机械结构的概略图。
图2是表示图1的双腿步行式机器人的电气结构的框图。
图3是表示图1的双腿步行式机器人的步行控制装置中的补偿部结构的框图。
图4A、4B是表示设在图1的双腿步行式机器人的各脚部脚底上的力传感器的结构的图，图4A是俯视图，图4B是剖视图。
图5A～5C是分别表示图4A、4B的各三轴力传感器和测力基点的配置的曲线图。
图6是表示图1的双腿步行式机器人的步行控制动作的流程图。
图7是表示图1的双腿步行式机器人的接触检测动作的流程图。
图8A～8C是分别表示利用图1的双腿步行式机器人中的力传感器检测脚侧面的接触状态的概略图。
图9A及9B是表示图4A、4B所示的力传感器变形例的俯视图。
具体实施例方式
以下，基于附图所示的实施方式，详细说明本发明。
图1及图2表示采用本发明的步行式移动装置的双腿步行式机器人的一实施方式的构成。
在图1中，双腿步行式机器人10包括作为本体的上体11，安装在上体11的下部两侧且在中间具有膝部12L、12R的两个腿部13L、13R，安装在各腿部13L、13R的下端的脚部14L、14R。
此处，上述腿部13L、13R，分别具有6个关节部，即从上方按顺序具有对上体11的腰的腿部转动用(绕z轴转动)的关节部15L、15R、腰的摇摆方向(绕x轴转动)的关节部16L、16R、腰的俯仰方向(绕y轴转动)的关节部17L、17R、膝部12L、12R的俯仰方向的关节部18L、18R、对脚部14L、14R的脚腕部的俯仰方向的关节部19L、19R、对脚腕部的摆动方向的关节部20L、20R。另外，各关节部15L、15R～20L、20R分别由关节驱动用电机构成。
这样，腰关节由上述关节部15L、15R、16L、16R、17L、17R构成，此外脚关节由关节部19L、19R、20L、20R。此外，腰关节和膝关节的之间，由大腿连杆21L、21R连结，另外，膝关节和脚关节的之间，由小腿连杆22L、22R连结。
由此，双腿步行式机器人10的左右两侧的腿部13L、13R及脚部14L、14R，分别赋予6个自由度，在步行中，通过由驱动电机分别以适宜的角度驱动控制这12个关节部，能够向腿部13L、13R及脚部14L、14R的全部提供所要求的动作，能够任意地沿三维空间步行。
另外，上述脚部14L、14R在脚底(下面)具有力传感器部23L、23R。该力传感器部23L、23R如后所述地能够分别检测各脚部14L、14R上的力，特别是水平地面反作用力F。另外，上述上体11在图示中只表示为箱状，但实际上也可以具有头部或两只手。
图2表示图1所示的双腿步行式机器人10的电气结构。在图2中，双腿步行式机器人10具有与要求动作对应地生成步态数据的步态生成部24，以及根据该步态数据对驱动机构即上述的各关节部即关节驱动用电机15L、15R～20L、20R进行驱动控制的步行控制装置30。另外，作为双腿步行式机器人10的坐标系，使用将前后方向设为x方向(前方+)、横向设为y方向(内方+)、上下方向设为z方向(上方+)的xyz坐标系。
与从外部输入的要求动作对应，上述步态生成部24生成双腿步行式机器人10步行所需的、包括各关节部15L、15R～20L、20R的目标角度轨道、目标角速度、目标角加速度的步态数据。上述步行控制装置30由角度测量装置31、补偿部32、控制部33和电机控制装置34构成。
上述角度测量装置31利用在各关节部15L、15R～20L、20R的关节驱动用电机上设置的例如选转式编码器等输入各关节部驱动用电机的角度信息，测量与各关节部驱动用电机的角度位置即角度及角速度有关的状态向量Φ，并输入给补偿部32。上述补偿部32如图3所示地具有六轴力计算部32a、接触检测部32b和补偿部本体32c。上述六轴力计算部32a根据来自力传感器部23L、23R的检测输出将六轴力(FX、FY、FZ、TX、TY、TZ)输出给补偿部本体32c。此外，接触检测部32b根据来自力传感器部23L、23R的检测输出分解力成分，判断各力传感器部23L、23R的各检测输出是由来自地面的力形成的、还是由与地面物体的接触形成的，一边参照预先记录在传感器构成信息部32d中的传感器构成信息，一边判断各力传感器部23L、23R的力传感器36a、36b、36c、36d(后述)中的哪一个检测到脚侧面的接触，并将该力传感器的标志信息输出给补偿部本体32c。此时，接触检测部32b输出各力传感器的作为接触式传感器的输出信号{Swx(0)，Swy(0)，Swz(0)；Swx(1)，Swy(1)，Swz(1)；…}，但通过将检测到脚侧面接触的力传感器的输出信号的标志例如从0设定为1，从而输出各力传感器的标志信息。
由此，补偿部本体32c根据来自六轴力计算部32a的六轴力计算水平地面反作用力F，进一步参照来自接触检测部32b的标志信息，并根据该水平地面反作用力F及来自角度测量装置31的状态向量Φ，修正来自步态生成部24的步态数据，向控制部33输出向量θi(从i＝1到n，其中n是关于机器人10的步行的自由度)。
上述控制部33从由补偿部32修正的步态数据即向量θi中减去机器人的各关节部的角度向量θ0，根据向量(θi-θ0)生成各关节驱动用电机的控制信号，即转矩向量τ。上述电机控制装置34按照来自控制部33的控制信号(转矩向量τ)，驱动控制各关节驱动用电机。
在此，由于上述力传感器部23L、23R是左右对称的结构，因此参照图4说明力传感器部23L。力传感器部23L由在脚部14L的下面即脚底板35的下侧在水平方向分割即在x方向上二分割、在y方向二分割而设置的四个力传感器36a、36b、36c、36d构成。各力传感器36a、36b、36c、36d为相同的结构，以下说明力传感器36a。该力传感器36a是安装在上方的底板37和下方的底板38之间的三轴力传感器，检测下方的底板38所受的力。
在此，下方的底板38被支承为以力传感器36a的传感器轴为中心可向前后左右摇动，能够在全方位通过摇动接地，并且在与脚部14L的外边缘邻接的部分、即脚侧面具有朝上方直立的侧壁38a。由此，当脚部14L的侧部碰到地上物体的时候，下方底板38的侧壁38a与该物体冲突，其冲击力被传递给力传感器36a，力传感器36a能够检测出该接触。另外，力传感器部23L及23R分别被分割成四个各力传感器36a～36d，但也不局限于此，只要至少分割成各脚部14L、14R的大端部两侧及脚尖部两侧的四个就可以，另外也可以分割成五个以上。此外，在图示中，各力传感器36a～36d排列配置在脚底，但也不局限于此，也可以任意配置。
可是，通常，即使在同一平面上设置四个以上的力传感器，从几何学理论来说，在所有力传感器都着地的状态下不能够分别检测力，所以第四个以上变得多余。但是，在此情况下，通过相互分割各分割部，所有的力传感器36a～36d都能够着落地面，不存在多余的力传感器，各力传感器能够分别检测力。
因此，由于脚部14L、14R着落地面所施加的力，分散施加给各力传感器36a～36d，因此各力传感器36a～36d能够使用小型、轻量的传感器，由此，能够降低各力传感器36a～36d的成本。此外，由于施加给各力传感器36a～36d的力变小，所以提高分辨率。因此，为得到相同的分辨率，作为接收各力传感器36a～36d的输出并进行AD转换的AD转换器，由于能够使用性能相对低且廉价的转换器，所以能够降低AD转换器的成本。
在此，上述的各力传感器36a～36d是三轴力传感器，但如果有二个以上的三轴力传感器，就能够计算六轴方向的力。
以下，参照图5说明通常利用n个三轴力传感器计算六轴方向的力的情况。在图5中，在脚底相对于力测量的原点O(Ox、Oy)配置n个三轴力传感器S1、S2、S3、……、Sn。另外，力测量的原点O优选例如与脚部关节的驱动坐标系一致。
在此，如果将各三轴力传感器Si的位置设为Si＝(X(i)、Y(i))，则六轴方向的力分别按以下公式施加。
即，各方向的力FX、FY、FZ，按下列公式施加。
FX=Σi=1nfX(i)---(1)]]>FY=Σi=1nfY(i)---(2)]]>FZ=Σi=1nfZ(i)---(3)]]>此外，各方向的转矩TX、TY、TZ，按下列公式施加。
TX=Σi=1nfZ(i)·(Y(i)-OY)---(4)]]>TY=Σi=1nfZ(i)·(X(i)-OX)---(5)]]>
TZ=Σi=1nfY(i)·cosα+fX(i)·sinα(X(i)-OX)2+(Y(i)-OY)2---(6)]]>但是，在上述公式(6)中，α按下列公式施加。
α=atan(X(i)-OXY(i)-OY)---(7)]]>如此，基于各三轴力传感器36a～36d的检测输出，能够利用设在补偿部32内的六轴力计算部32a进行运算，检测六轴方向的力。
另外，从上述六轴方向的力，水平地面反作用力F作为通过地面和机器人10的脚底的摩擦力产生的水平方向的力、即上述X方向及Y方向的力FX、FY的合力而表示，其向量Fc及大小|Fc|，按下式表示。
FC=FXFY,|FC|=FX2+FY2---(8)]]>另外，各三轴力传感器36a～36d具有各自的检测输出偏差，并且检测输出随周围的温度、时效变化等而变动。因此，各三轴力传感器36a～36d的检测输出例如通过自动校准在补偿部32内自动校正。
本发明的实施方式的双腿步行式机器人10具有以上构成，其步行动作按图6所示的流程图如下进行。
在图6中，首先在步骤ST1，步态生成部24根据输入的要求动作(J＝J)生成步态数据，向步行控制装置30的补偿部32输出。然后，在步骤ST2，设在双方的脚部14L、14R的力传感器部23L、23R分别检测力，并向补偿部32的六轴力计算部32a及接触检测部32b输出。与此并行，在步骤ST3，角度测量装置31测量各关节部15L、15R～20L、20R的状态向量Φ，输出给补偿部32。
在步骤ST4，六轴力计算部32a根据力传感器部23L、23R的各力传感器36a～36d的检测输出计算六轴力，并输出给补偿部本体32c。与此并行，在步骤ST5，接触检测部32b根据力传感器部23L、23R的各力传感器36a～36d的检测输出，如后所述地判断哪个力传感器36a～36d检测出脚侧面的接触，向补偿部本体32c输出该力传感器36a～36d的标志信息。由此，在步骤ST6，补偿部32的补偿部本体32c根据来自六轴力计算部32a的六轴力，计算水平地面反作用力F。
在步骤ST7，补偿部32的补偿部本体32c根据该水平地面反作用力F及来自角度测量装置31的各关节部15L、15R～20L、20R的状态向量Φ，一边参照来自接触检测部32b的标志信息，一边修正步态数据，向控制部33输出向量θi。此处，补偿部32也可以在众所周知的ZMP补偿函数中采用六轴力，来修正步态数据。关于该众所周知的ZMP补偿函数，例如可参照本申请人提交的、在2002年12月19日国际公开的国际专利申请(国际公开号WO 02/100606A1)。另外，不局限于上述ZMP补偿函数，当然也可以在以往的补偿函数中采用六轴力来修正步态数据。
接着，在步骤ST8，控制部33从向量θi中减去机器人的各关节部的角度向量θ0，基于向量(θi-θ0)生成各关节驱动用电机的控制信号、即转矩向量τ，输出给电机控制装置34。然后，在步骤ST9，电机控制装置34基于该转矩向量τ驱动控制各关节部的关节驱动用电机。由此，双腿步行式机器人10能够与要求动作对应地进行步行动作。
然后，在步骤ST10，控制部33通过动作计数增量，使J＝J+1，在一直等到成为规定的取样时间后，在步骤ST11，在上述J小于预先确定的动作结束计数的情况下，再次返回到步骤2，重复上述操作。并且，在步骤ST11，在上述J超过动作结束计数的情况下，结束动作。
此处，按图7的流程图所示进行上述步骤ST5中的利用接触检测部32b进行脚侧面接触的检测。在图7中，接触检测部32b，从初期条件K＝0开始，到步骤ST21，使K＝K+1，在步骤ST22，开始第K个(在各力传感器部23L、23R的各个力传感器36a～36d中预先附加通号)的力传感器36a～36d的接触检测作业。在图中，说明了具有n个传感器的情况，但在此处，以N＝8，即以K＝1～8说明。
在步骤ST23，从预先记录在传感器构成信息部32d中的传感器构成信息中，取得该力传感器的脚中心方向，在三个轴上将该方向设定为正。接着，在步骤ST24，如果该力传感器36a～36d检测出力，则在步骤ST25，接触检测部32b，判断在X方向上是否检测出正的力(FX(K)＞0？)，在是正的力的情况下，在步骤ST26，设置该力传感器的标志(设定成Swz(K)＝1)，在不是正的力的情况下，在步骤ST27清该力传感器的标志(设定成Swx(K)＝0)。
在步骤ST28，接触检测部32b判断在Y方向上是否检测出正的力(FY(K)＞0？)，在是正的力的情况下，在步骤ST29，设置该力传感器的标志(设定成Swy(K)＝1)，在不是正的力的情况下，在步骤ST30，清该力传感器的标志(设定成Swy(K)＝0)。
然后，在步骤ST31，接触检测部32b判断在Z方向上是否检测出正的力(FZ(K)＞0？)，在是正的力的情况下，在步骤ST32，设置该力传感器的标志(设定成Swz(K)＝1)，在不是正的力的情况下，在步骤ST33，清该力传感器的标志(设定成Swz(K)＝0)。
最后，在步骤ST34，接触检测部32b向补偿部本体32c输出上述各标志信息，并且进行是否K＝8的判定，在K≠8的情况下，返回到步骤ST21，使K＝K+1，并重复进行从上述步骤ST22到ST34的操作。此外，在K＝8的情况下，结束接触检测的作业。
这样，如图8A所示，当脚部14L从左侧接受接触力的时候，或如图8B所示，当脚部14L从斜下侧接受接触力的时候，进一步如图8C所示，从左侧及斜下侧的多方向接受接触力的时候，各自力传感器36a及/或36d分别作为接触传感器作用，从而，由接触检测部32b进行接触检测。
此时，在双腿步行式机器人10中，在用各关节驱动用电机进行驱动控制时，在补偿部32的补偿部本体32c根据来自设在各脚部14L、14R的脚底的力传感器部23L、23R的水平地面反作用力F，一边参照由接触检测部32b形成的表示脚侧面的接触的标志信息，一边修正步态数据，生成向量θi，以该水平地面反作用力F作为规范可得到机器人10的稳定性。由此，假设机器人10的各脚部14L、14R即使碰到例如地面上的障碍物或台阶等，由于设在脚底上的力传感器部23L、23R能够检测出脚侧面的接触，所以不会像以往那样还照样继续步行动作而有时导致倾倒，所以能够可靠地进行与要求动作对应的步行动作。
如果采用本实施方式的双腿步行式机器人10，根据从设在各脚部14L、14R脚底上的力传感器部23L、23R即分别设在分割成多个的脚底上的三轴力传感器36a～36d输出的检测信号来计算的水平地面反作用力F，并且通过一边参照由接触检测部32b进行的脚侧面的接触的检测一边修正步态数据，能够将与脚底的地面间的摩擦力所产生的水平地面反作用力F作为规范，进行步行控制。此外，由于能够将力传感器部23L、23R也用作与侧面有关的接触传感器，来探测脚侧面的接触，所以能够简化结构，降低成本，即使碰到地面上的障碍物或台阶等，也能够实现机器人10的步行稳定化。
在上述的实施方式中，力传感器部23L、23R分别如图4所示，各力传感器36a～36d下方的底板38的侧壁38a，作为整体具有长方形的外形，但也不局限于此，也可以如图9A所示，作为检测部件的下方底板38的侧壁38a的至少一部分、在图示的情况下的角部，也可以分别形成以各力传感器36a、36b、36c、36d为中心的半径R1、R2、R3、R4的圆弧面。通过如此的结构，当以圆弧面形成的侧壁38a的部分与地面上的障碍物或台阶等物体接触的情况下，在对应的力传感器36a～36d计算接触力的时候，由于从这些部分到力传感器36a～36d的距离始终相等，所以能够简化计算，缩短检测时间。再者，如图9B所示，各侧壁38a的至少一部分形成分别以各力传感器36a～36d为中心具有相同半径R的圆弧面的情况下，各力传感器36a～36d中的计算式的参数相同，能够进一步简化计算，进一步缩短检测时间。
在上述的实施方式中，说明了在双腿步行式机器人中应用本发明时的情况，但也不局限于此，很明显，即使对于用两只脚支承其他各种机器、并且用该两只脚步行的双腿步行式移动装置，或用更多只脚支承并进行步行的步行式机器人或步行式移动装置，也能够应用本发明。
如上所述，如果采用本发明，能够提供一种极优良的双腿步行式机器人及其步行控制装置和步行控制方法，在机器人的步行动作中，即使各脚部碰到例如地面上的障碍物或台阶等的时候，通过检测脚侧面的接触并修正步态数据，也能够确保机器人的稳定性，不会跌倒，能够可靠地进行步行控制，可实现步行稳定性的。
权利要求
1.一种步行式移动装置，具有本体；多个腿部，在本体的下部两侧安装成可在二个轴方向摆动，且在中间具有膝部；脚部，在各腿部的下端安装成可在二个轴方向摆动；驱动机构，使各腿部、膝部及脚部摆动；步态生成部，与要求动作相对应地生成包含目标角度轨道、目标角速度、目标角加速度的步态数据；以及步行控制装置，根据该步态数据对上述驱动机构进行驱动控制；并且，上述步行控制装置包括检测施加在各脚部的脚底上的力的力传感器，以及根据由上述力传感器检测出的力中的水平地面反作用力修正来自步态生成部的步态数据的补偿部，其特征在于，上述力传感器分别被设置在各脚部的脚底的分割成多个的区域，在与各脚底的端缘邻接的区域设置的力传感器分别检测脚侧面的接触；上述补偿部一边参照脚侧面的接触，一边修正来自步态生成部的步态数据。
2.如权利要求1所述的步行式移动装置，其特征在于，上述力传感器是三轴力传感器，在与上述各脚底的端缘邻接的区域，作为对应的力传感器的检测部件的底板外缘的至少一部分，形成以该力传感器为中心的圆弧面。
3.如权利要求1或2所述的步行式移动装置，其特征在于，上述力传感器是三轴力传感器，上述补偿部具有根据来自各力传感器的检测信号来计算六个轴方向的力的六轴力计算部，和通过分解力成分来检测出脚侧面的接触的接触检测部。
4.(修改)如权利要求3所述的步行式移动装置，其特征在于，上述接触检测部判断来自各力传感器的检测信号是由来自地面的力产生的、还是由与地面上物体的接触产生的，并向补偿部输出是哪个力传感器检测出了脚侧面的接触的标志信息。
5.一种步行式移动装置的步行控制装置，该步行式移动装置包括本体；多个腿部，在本体的下部两侧安装成可在二个轴方向摆动，且在中间具有膝部分；脚部，在各腿部的下端安装成可在二个轴方向摆动；以及驱动机构，使各腿部、膝部及脚部摆动；该步行控制装置根据与要求动作相对应地由步态生成部生成的、包含目标角度轨道、目标角速度、目标角加速度的步态数据来驱动控制上述驱动机构，并包括检测施加在各脚部的脚底上的力的力传感器，以及根据由上述力传感器检测出的力中的水平地面反作用力来修正来自步态生成部的步态数据的补偿部，其特征在于，上述力传感器分别被设置在各脚部的脚底的分割成多个的区域，在与各脚底的端缘邻接的区域设置的力传感器分别检测脚侧面的接触；上述补偿部一边参照脚侧面的接触，一边修正来自步态生成部的步态数据。
6.如权利要求5所述的步行式移动装置的步行控制装置，其特征在于，上述力传感器是三轴力传感器，在与上述各脚底的端缘邻接的区域，作为对应的力传感器的检测部件的底板外缘的至少一部分，形成以该力传感器为中心的圆弧面。
7.如权利要求5或6所述的步行式移动装置的步行控制装置，其特征在于，上述力传感器是三轴力传感器，上述补偿部具有根据来自各力传感器的检测信号来计算六个轴方向的力的六轴力计算部，以及通过分解力成分来检测出脚侧面的接触的接触检测部。
8.如权利要求7所述的步行式移动装置的步行控制装置，其特征在于，上述接触检测部判断来自各力传感器的检测信号是由来自地面的力产生的、还是由与地面上物体的接触产生的，并向补偿部输出是哪个力传感器检测出了脚侧面的接触的标志信息。
9.一种步行式移动装置的步行控制方法，该步行式移动装置包括本体；多个腿部，在本体的下部两侧安装成可在二个轴方向摆动，且在中间具有膝部分；脚部，在各腿部的下端安装成可在二个轴方向摆动；以及驱动机构，使各腿部、膝部及脚部摆动；并根据与要求动作相对应地由步态生成部生成的、包含目标角度轨道、目标角速度、目标角加速度的步态数据来驱动控制上述驱动机构，并且，由力传感器检测出施加在各脚部的脚底上的力，根据由上述力传感器检测出的力中的水平地面反作用力，由补偿部修正来自步态生成部的步态数据，其特征在于，包括第一步骤，在各脚部的脚底的分割成多个的区域，利用各力传感器分别检测出力；第二步骤，利用来自力传感器中的、在与脚底的端缘邻接的区域设置的力传感器的检测信号，分别检测脚侧面的接触；第三步骤，上述补偿部一边参照脚侧面的接触、一边修正来自步态生成部的步态数据。
10.如权利要求9所述的步行式移动装置的步行控制方法，其特征在于，上述力传感器是三轴力传感器，在与上述各脚底的端缘邻接的区域，作为对应的力传感器的检测部件的底板外缘的至少一部分，形成以该力传感器为中心的圆弧面。
11.如权利要求9或10所述的步行式移动装置的步行控制方法，其特征在于，上述力传感器是三轴力传感器，上述补偿部具有根据来自各力传感器的检测信号来计算六个轴方向的力的六轴力计算部，以及通过分解力成分来检测出脚侧面的接触的接触检测部。
12.如权利要求10或11所述的步行式移动装置的步行控制方法，其特征在于，上述接触检测部判断来自各力传感器的检测信号是由来自地面的力产生的、还是由与地面上物体的接触产生的，并向补偿部输出是哪个力传感器检测出了脚侧面的接触的标志信息。
全文摘要
一种步行式移动装置(30)，根据步态数据对各腿部(13L、13R)的各关节部(15L、15R～20L、20R)的驱动机构进行驱动控制，其包括检测施加在各脚部(14L、14R)的脚底上的力的力传感器(23L、23R)和根据由力传感器检测出的力中的水平地面反作用力来修正来自步态生成部(24)的步态数据的补偿部(32)，各力传感器(23L、23R)由在各脚部(14L、14R)的分割成多个的脚底各部分上设置的三轴力传感器(36a～36d)构成，利用在与各脚底的端缘邻接的领域设置的力传感器，由接触检测部(32b)检测脚侧面的接触，补偿部(32)一边参照脚侧面的接触，一边修正来自步态生成部(24)的步态数据，由此检测出脚侧面与障碍物等物体的接触，实现步行稳定性。
文档编号B62D57/032GK1659002SQ0381360
公开日2005年8月24日 申请日期2003年6月4日 优先权日2002年6月12日
发明者古田贵之, 田原哲雄, 奥村悠, 北野宏明, 清水正晴 申请人:独立行政法人科学技术振兴机构