專利名稱：以腿行走的機(jī)器人與對(duì)其動(dòng)作的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實(shí)際的機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人都有模擬生命體的機(jī)制或動(dòng)作的結(jié)構(gòu)，并涉及對(duì)其動(dòng)作的控制方法，特別是涉及以腿行走的機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人都有模擬直立行走的人和猿的機(jī)制或動(dòng)作的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還涉及對(duì)其動(dòng)作的控制方法。
更特別的是，本發(fā)明涉及一種以腿行走的機(jī)器人，它可通過一條可動(dòng)腿或左右兩條可動(dòng)腿的交替站立穩(wěn)定而準(zhǔn)確地執(zhí)行腿動(dòng)動(dòng)作，本發(fā)明還涉及對(duì)其動(dòng)作的控制方法。尤為特別的是，本發(fā)明涉及一種以腿行走的機(jī)器人，在這種以腿行走的機(jī)器人改變它與地板、墻壁等的聯(lián)系機(jī)制，從開放聯(lián)系機(jī)制變成閉合聯(lián)系機(jī)制時(shí)，例如在機(jī)器人使它的站立模式從單腿站立模式變?yōu)殡p腿站立模式時(shí)，它可按照預(yù)期值與實(shí)際值之差所引起的分離(detachment)或碰撞(crash)執(zhí)行姿態(tài)穩(wěn)定控制，本發(fā)明還涉及對(duì)其動(dòng)作的控制方法。
背景技術(shù)：
通過利用電或磁的效應(yīng)執(zhí)行模擬人的動(dòng)作的機(jī)械裝置叫做機(jī)器人。機(jī)器人(ROBOT)一詞的詞源據(jù)說是源于斯拉夫語(yǔ)的“ROBOTA”(奴隸機(jī)器)。雖然從1960年代末以來機(jī)器人已廣泛用于日本，但大多數(shù)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人，如用于工廠中自動(dòng)化生產(chǎn)和無(wú)人生產(chǎn)的操作手和運(yùn)輸機(jī)器人。
固定機(jī)器人，如固定安裝在特定位置的機(jī)器手(arm robots)，只在一種固定的局部工作空間執(zhí)行部件裝配操作和部件分類操作之類的操作。另一方面，活動(dòng)機(jī)器人，在一種不固定的工作空間，通過靈活地沿預(yù)定路線或無(wú)路線的移動(dòng)執(zhí)行規(guī)定的或非規(guī)定的人類動(dòng)作之類的操作，提供替代人、狗和其他動(dòng)物的各種服務(wù)。特別是，以腿行走的機(jī)器人有上下樓梯和梯子、越過障礙物、行走靈活和可在平坦與不平坦地面行走的優(yōu)點(diǎn)，雖然這些機(jī)器人在姿態(tài)控制和行走上比履帶型機(jī)器人和輪式機(jī)器人要不穩(wěn)定，也要困難。
最近，在研究與開發(fā)人形機(jī)器人之類以腿行走的機(jī)器人、即通過模擬人之類兩腿行走動(dòng)物的身體機(jī)制和動(dòng)作所設(shè)計(jì)的類人機(jī)器人方面取得了進(jìn)展，因此，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的預(yù)期已日益形成。例如，索尼公司2000年11月25日公開了兩腿行走的類人機(jī)器人“SDR-3X”。
下述兩種觀點(diǎn)在據(jù)以理解研究與開發(fā)叫做人形機(jī)器人、即類人機(jī)器人的兩腿行走機(jī)器人的意義方面是有代表性的。
一種是來自人類科學(xué)的觀點(diǎn)。更具體地說，制造一種具有模擬人的下肢和/或上肢的結(jié)構(gòu)的機(jī)器人并為其設(shè)計(jì)控制方法，在技術(shù)上導(dǎo)致通過人類動(dòng)作的模擬過程解決自然人動(dòng)作包括行走的機(jī)制。這種研究預(yù)期會(huì)對(duì)研究人類運(yùn)動(dòng)機(jī)制的各個(gè)其它領(lǐng)域如人機(jī)過程學(xué)、康復(fù)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)科學(xué)有顯著貢獻(xiàn)。
另一種是來自為支持作為人的助手的生活活動(dòng)、亦即支持各種日常環(huán)境包括生活環(huán)境中的人類活動(dòng)而開發(fā)實(shí)際機(jī)器人的觀點(diǎn)。這些類型的機(jī)器人需要學(xué)習(xí)適應(yīng)人，而每個(gè)人有不同的個(gè)性，或在人教它后適應(yīng)不同的環(huán)境，并進(jìn)一步開發(fā)其在人類生活環(huán)境各個(gè)方面中的功能。一個(gè)具有與人同形或同結(jié)構(gòu)的人形機(jī)器人或機(jī)器人預(yù)期會(huì)對(duì)與人的順利溝通有效地發(fā)揮作用。
例如，在教一個(gè)機(jī)器人通過現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)房間而避開一個(gè)障礙物而不碰上它時(shí)，預(yù)期操作者把上述動(dòng)作教給一個(gè)形狀與操作者類似的兩腿行走的機(jī)器人比教給一個(gè)履帶型機(jī)器人或一個(gè)結(jié)構(gòu)與操作者完全不同的四方形機(jī)器人要容易。另外，這對(duì)于被教的機(jī)器人也一定是容易的(例如，參見TakanishiControl of Biped walking robot[兩腿行走機(jī)器人的控制]，Society ofAutomotive Engineers of Japan[日本自動(dòng)化工程師協(xié)會(huì)]，Kanto Charter，<KOSO>No.25，April 1996)。
大部分人類工作和生活的空間是按照一個(gè)兩腿直立行走的人的身體機(jī)制和行為模式建構(gòu)的。換句話說，現(xiàn)有的有輪子的機(jī)械系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)單元，作為在人類生活空間活動(dòng)的移動(dòng)工具，存在非常多的不利于它們行動(dòng)的障礙。為了使這種機(jī)械系統(tǒng)即機(jī)器人提供支持或替代各種人類操作的服務(wù)，因而使其深深卷入人類生活空間，機(jī)器人最好有一個(gè)基本上同人一樣的活動(dòng)范圍。這是為什么以腿行走機(jī)器人大有可能付諸實(shí)用的原因?？梢赃@樣說，機(jī)器人必須有一種人的結(jié)構(gòu)，以便更貼近人類生活環(huán)境。
關(guān)于兩腿行走的機(jī)器人，已有許多姿態(tài)控制和穩(wěn)定行走的技術(shù)被提出。如上述那樣的穩(wěn)定行走被定義為以腿不跌倒地移位。
機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定控制對(duì)于防止機(jī)器人跌倒是極其重要的，因?yàn)榈箷?huì)使機(jī)器人正在執(zhí)行的操作停止，而為了從跌倒站起重新執(zhí)行操作還需要相當(dāng)多的能量和時(shí)間。最重要的是，機(jī)器人跌倒有使機(jī)器人本身或與跌倒機(jī)器人相撞的障礙物遭到致命損害的危險(xiǎn)。因此，行走和其它腿動(dòng)操作的姿態(tài)穩(wěn)定控制是設(shè)計(jì)和開發(fā)以腿行走機(jī)器人時(shí)的最重要問題。
行走時(shí)，因?yàn)橹亓托凶邉?dòng)作所引起的加速度，重力、慣性力和起因于行走系統(tǒng)這些力的力矩都作用于路面。根據(jù)所謂的達(dá)朗伯(D’Alambert)原理，這些力和力矩是與作為從路面到行走系統(tǒng)的反作用的結(jié)果的地板反作用力和力矩平衡的。作為動(dòng)力學(xué)推論的一個(gè)結(jié)果，腳底著地點(diǎn)和路面所形成的一個(gè)輔助多邊形有一個(gè)點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上，俯仰軸(pitch-axis)和滾動(dòng)軸(roll-axis)的力矩為零，換句話說，零力矩點(diǎn)(ZMP)在這個(gè)輔助多邊形的邊上或之內(nèi)。
有關(guān)以腿行走機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定控制和防止跌倒的大多數(shù)建議使用這個(gè)ZMP作為確定行走穩(wěn)定性的一個(gè)判據(jù)?；赯MP判據(jù)的這一代兩腿行走模式機(jī)器人有一些優(yōu)點(diǎn)，容易根據(jù)路面形態(tài)等考慮腳指的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束條件，因?yàn)槟_底著地點(diǎn)可以預(yù)設(shè)。用ZMP作為確定穩(wěn)定性的一個(gè)判據(jù)意味著，把軌跡而不是力用作動(dòng)作控制的目標(biāo)值，因而提高了這種機(jī)器人的技術(shù)可行性。
ZMP的一般概念和ZMP作為確定行走機(jī)器人穩(wěn)定性的一個(gè)判據(jù)的應(yīng)用在Miomir Vukobratovic所寫的“LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”(以腿移位的機(jī)器人)中作了說明(Ichiro Kato等，“Walking Robot and Artificialleg”[行走機(jī)器人和人造腿]，The Nikkan Kogyo Shimbun Ltd.)。
一般地說，兩腿行走機(jī)器人如類人機(jī)器人有一個(gè)重心，與四方形機(jī)器人相比，其穩(wěn)定行走時(shí)的位置較高，而穩(wěn)定行走時(shí)的ZMP區(qū)域較窄。所以，姿態(tài)隨路面形態(tài)變化這樣一個(gè)問題對(duì)于兩腿行走機(jī)器人是特別重要的。
不過，以腿行走機(jī)器人僅僅是從開發(fā)階段到實(shí)用階段邁出的第一步，大量技術(shù)問題仍有待解決。
預(yù)期將在人類生活環(huán)境中起積極作用的以腿行走機(jī)器人有多個(gè)由轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的“肢”，要求它在與外部世界或工作對(duì)象聯(lián)系的閉合模式(closedlink mode)與開放模式(open link mode)間執(zhí)行高速操作轉(zhuǎn)換，以便實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的兩腿行走、穩(wěn)定的兩臂操作，或其它。
例如，這種以腿行走機(jī)器人可執(zhí)行各種腿動(dòng)操作，如通常通過交替用一條或左右兩條可動(dòng)腿站立的行走。當(dāng)以腿行走機(jī)器人從開放聯(lián)系機(jī)制(openlink mechanism)到閉合聯(lián)系機(jī)制(closed link mechanism)改變它與地板、墻壁或其它的聯(lián)系機(jī)制時(shí)，例如在它從單腿站立模式到雙腿站立模式轉(zhuǎn)換它的站立模式時(shí)，常常在來自它的控制系統(tǒng)的預(yù)期值與比如說在它的著地腳趾處的實(shí)際值之間，有一個(gè)差。
這樣一種預(yù)期值與實(shí)際值的差引起“分離”，意思是，腳趾預(yù)期著地時(shí)沒有著地，或引起“碰撞”，意思是，腳趾比預(yù)期的早著地。這種分離和碰撞對(duì)以腿行走機(jī)器人身體的姿態(tài)穩(wěn)定控制有很大影響。
迄今為止，為了用反饋控制實(shí)現(xiàn)從開放聯(lián)系模式到閉合聯(lián)系模式的高速操縱轉(zhuǎn)換已作了一些努力，而反饋控制則是通過使用基于來自安在肢體頂部的力傳感器的力信號(hào)或來自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器(actuator)的扭力矩信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)的。不過，用這種方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的動(dòng)作，從技術(shù)觀點(diǎn)看，是非常困難的，因?yàn)樗蟮亩谭答佒芷凇⒏叻直媛?、高速和?qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的大加速度要達(dá)到一種不現(xiàn)實(shí)的程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機(jī)器人，這種機(jī)器人，通過轉(zhuǎn)換其站立模式，例如通過交替用一條或左右兩條可動(dòng)腿站立，可穩(wěn)定而準(zhǔn)確地執(zhí)行腿動(dòng)操作，同時(shí)，還為這種機(jī)器人提供一種優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)控制方法。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機(jī)器人，這種機(jī)器人，在它從開放聯(lián)系機(jī)制到閉合聯(lián)系機(jī)制改變其與地板、墻壁或其它的聯(lián)系機(jī)制時(shí)，例如在它從單腿站立模式到雙腿站立模式轉(zhuǎn)換其站立模式時(shí)，可根據(jù)預(yù)期值與實(shí)際值的差所引起的分離或碰撞，執(zhí)行姿態(tài)穩(wěn)定操作，同時(shí)，還為這種機(jī)器人提供一種優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)控制方法。
本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機(jī)器人，這種機(jī)器人可在與外部世界或工作對(duì)象的開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式之間執(zhí)行高速轉(zhuǎn)換操作，而不失去其身體的姿態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)，還為這種機(jī)器人提供一種優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)控制方法。
本發(fā)明是在考慮到上述問題時(shí)作出的，因此，根據(jù)其中第一方面，一個(gè)以腿行走的機(jī)器人至少包括可動(dòng)腿，其中，每條可動(dòng)腿有多個(gè)關(guān)節(jié)自由度和被動(dòng)自由度，并對(duì)相應(yīng)關(guān)節(jié)提供一種先后次序，以便除去動(dòng)態(tài)閉合誤差(dynamic closing error)。
按照這個(gè)根據(jù)本發(fā)明第一目標(biāo)的以腿行走的機(jī)器人，它至少有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(其可以具有至少兩個(gè)自由度)，為了在與外部世界或工作對(duì)象的開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式之間執(zhí)行高速轉(zhuǎn)換操作，每條腿設(shè)有最低要求的被動(dòng)自由度(如減速器[reducer]的間隙[backlash])，以便除去動(dòng)態(tài)閉合誤差，而這條腿的可動(dòng)范圍也是完全得到控制的。
因此，甚至在驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器沒有辦法獲得扭力矩信號(hào)時(shí)，閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式之間的高速轉(zhuǎn)換操作也能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。
例如，在以腿行走的機(jī)器人是一個(gè)有左右兩條可動(dòng)腿的雙腿行走的機(jī)器人時(shí)，左右兩條可動(dòng)腿可以這樣制作，以致彼此有基本相同的自由度。因此，身體有一種基本對(duì)稱的特征，進(jìn)而使姿態(tài)穩(wěn)定控制容易實(shí)現(xiàn)。
另外，可動(dòng)腿的每個(gè)關(guān)節(jié)的自由度是通過一個(gè)與減速器相連的作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的。在這種情況下，每個(gè)關(guān)節(jié)的被動(dòng)自由度是通過與作動(dòng)器相連的減速器的間隙實(shí)現(xiàn)的。
再者，通過把一條腿的一個(gè)關(guān)節(jié)安排在較靠近這條腿的遠(yuǎn)端，以致比另一條腿的關(guān)節(jié)有較大的間隙，可降低對(duì)應(yīng)連接在對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)波動(dòng)(fluctuation)所引起的干擾，也可防止高增益局部反饋控制系統(tǒng)所引起的大扭力矩的出現(xiàn)，進(jìn)而防止對(duì)應(yīng)腳底的突然滑動(dòng)或分離。
可動(dòng)腿有至少圍繞髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸(yaw-axis)的關(guān)節(jié)自由度。在這種情況下，通過圍繞相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸和踝關(guān)節(jié)俯仰軸安排依次變小的間隙，可降低在對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)所引起的干擾，也可防止高增益局部反饋控制系統(tǒng)所引起的大扭力矩的出現(xiàn)，進(jìn)而防止對(duì)應(yīng)腳底的突然滑動(dòng)或分離。
另外，通過以下述次序腳＞下股骨＞上股骨，控制對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)，該波動(dòng)是在除去對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)閉合誤差時(shí)出現(xiàn)的，可降低對(duì)在對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)所引起的干擾，也可防止高增益局部反饋控制系統(tǒng)所引起的大扭力矩的出現(xiàn)，進(jìn)而防止對(duì)應(yīng)腳底在地板面上的突然滑動(dòng)或與地板面分離。
再者，為了維持對(duì)身體的一種ZMP姿態(tài)穩(wěn)定控制，可以對(duì)每個(gè)自由度上整條肢(limb)間隙的總和加以控制。例如，一條肢(limb)圍繞滾動(dòng)軸的間隙總和在0.05°到2.0°是最好的。而且，一條肢(limb)圍繞俯仰軸的間隙總和在0.10°到4.0°也是最好的。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一個(gè)機(jī)器人裝置包括至少一個(gè)關(guān)節(jié)有至少圍繞滾動(dòng)軸和俯仰軸的自由度，其中，這個(gè)關(guān)節(jié)有滾動(dòng)軸間隙ΔR和俯仰軸間隙ΔP，這兩個(gè)間隙滿足下述條件ΔP＞ΔR在這種情況下，俯仰軸間隙ΔP可以是滾動(dòng)軸間隙ΔR的至少1.5倍。
以腿行走的機(jī)器人，通過滾動(dòng)軸和俯仰軸的組合，軀干、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等的每個(gè)關(guān)節(jié)都各有關(guān)節(jié)自由度。本發(fā)明人等建議，機(jī)器人身體要這樣設(shè)計(jì)，以致對(duì)于它們的共同關(guān)節(jié)來說，圍繞俯仰軸的間隙ΔP大于圍繞滾動(dòng)軸的間隙ΔR(即ΔP＞ΔR)。在向前直線行走的情況被考慮時(shí)，雙腿行走的機(jī)器人，因?yàn)闆]有側(cè)滑動(dòng)作卷入，以滾動(dòng)動(dòng)作和側(cè)滑動(dòng)作為主，所以機(jī)器人在X方向比在Y方向有更寬的穩(wěn)定區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致這樣的結(jié)論ΔP＞ΔR。
另外，在偏轉(zhuǎn)軸像身體的關(guān)節(jié)自由度結(jié)構(gòu)那樣被安置在腿的底部時(shí)，甚至在例如轉(zhuǎn)彎時(shí)出現(xiàn)側(cè)滑動(dòng)作時(shí)，這種側(cè)滑動(dòng)作也不干擾平腳在腿坐標(biāo)系中(髖關(guān)節(jié)是其中的原點(diǎn))的俯仰或滾動(dòng)動(dòng)作。也就是說，偏轉(zhuǎn)軸間隙ΔY所引起的平腳姿態(tài)偏斜只影響偏轉(zhuǎn)軸角度，在實(shí)際穩(wěn)定區(qū)充分大于這種偏斜時(shí)，可忽略不計(jì)。
另一方面，在偏轉(zhuǎn)軸安置在上股骨或下股骨時(shí)，偏轉(zhuǎn)軸間隙ΔY干擾平腳在腿坐標(biāo)系中(髖關(guān)節(jié)軸是其中的原點(diǎn))的俯仰或滾動(dòng)動(dòng)作。在這種情況下，控制偏轉(zhuǎn)軸間隙ΔY越來越顯得重要。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，對(duì)至少包括可動(dòng)腿、每條可動(dòng)腿有多個(gè)由位置伺服控制所確定的關(guān)節(jié)自由度的雙腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，包括為除去相應(yīng)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)閉合誤差向這些相應(yīng)關(guān)節(jié)提供被動(dòng)自由度的步驟。
按照這種為根據(jù)本發(fā)明第三方面的以腿行走機(jī)器人所提供的運(yùn)動(dòng)控制方法，在至少有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(可以有至少兩個(gè)自由度)的機(jī)器人中，為了在與外部世界或工作對(duì)象的開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式之間執(zhí)行高速轉(zhuǎn)換操作，每條肢(limb)設(shè)有最低要求的被動(dòng)自由度(如減速器的間隙)，以便除去動(dòng)態(tài)閉合誤差，而這條肢(limb)的可動(dòng)范圍也是適當(dāng)控制的。
在提供被動(dòng)自由度的步驟中，動(dòng)態(tài)閉合誤差可通過調(diào)整相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益除去。
另外，當(dāng)以腿行走的機(jī)器人是有左右兩腿的機(jī)器人時(shí)，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益要這樣調(diào)整，以致左右兩條可動(dòng)腿有彼此基本相同的被動(dòng)自由度。因此，機(jī)器人身體有一種基本對(duì)稱的特征，進(jìn)而使姿態(tài)穩(wěn)定控制容易實(shí)現(xiàn)。
再者，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益最好這樣調(diào)整，以致一條肢(limb)較靠近這條肢(limb)遠(yuǎn)端的一個(gè)關(guān)節(jié)有較大的被動(dòng)自由度。
例如，當(dāng)可動(dòng)腿有至少圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸、髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度時(shí)，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益最好這樣調(diào)整，以致髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸的可動(dòng)范圍小于踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸的可動(dòng)范圍。因此，可降低在對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)所引起的干擾，也可防止高增益局部反饋控制系統(tǒng)所引起的大扭力矩的出現(xiàn)，進(jìn)而防止對(duì)應(yīng)腳底的突然滑動(dòng)或分離。
另外，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益可以這樣調(diào)整，以致當(dāng)除去對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)閉合誤差時(shí)所出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)，以下述次序被控制腳＞下股骨＞上股骨。因此，可降低在對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)所引起的干擾，也可防止高增益局部反饋控制系統(tǒng)所引起的大扭力矩的出現(xiàn)，進(jìn)而防止對(duì)應(yīng)腳底的突然滑動(dòng)或分離。
再者，為了維持對(duì)機(jī)器人身體的一種ZMP姿態(tài)穩(wěn)定控制，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，可以對(duì)每個(gè)自由度上整條肢(limb)被動(dòng)自由度的總和加以控制。
本發(fā)明的其它目標(biāo)、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將在詳細(xì)說明中顯現(xiàn)，而這將在后面根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和附圖加以描述。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100的透視前視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100的透視后視圖。
圖3是為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100所配備的自由度配置模型的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100的控制系統(tǒng)配置模型的示意圖。
圖5說明雙腿行走機(jī)器人腿動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)閉合誤差。
圖6是說明商業(yè)上所生產(chǎn)的機(jī)器人間隙與性能之間關(guān)系的示意曲線。
圖7是說明通過位置伺服補(bǔ)償所調(diào)整的間隙與性能之間關(guān)系的示意曲線。
圖8說明用于控制圖7所示性能的位置伺服補(bǔ)償器的具體配置。
圖9是說明比例增益與抑制比之間關(guān)系的曲線。
圖10是說明在使死區(qū)達(dá)到最小時(shí)通過非線性位置伺服補(bǔ)償所調(diào)整的間隙與性能之間關(guān)系的示意曲線。
圖11說明用于控制圖10所示性能的非線性位置伺服補(bǔ)償器的具體配置。
圖12是說明通過非線性位置伺服補(bǔ)償，以致通過有意加寬死區(qū)，在作動(dòng)器滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)到一定角度范圍以外時(shí)，提供一種實(shí)際性能，所調(diào)整的間隙與性能之間關(guān)系的示意曲線。
圖13說明用于控制圖12所示性能的非線性位置伺服補(bǔ)償器的具體配置。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例將參照附圖詳加說明。
圖1和圖2分別是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100的透視前視圖和透視后視圖。另外，圖3示意地說明為這個(gè)以腿行走機(jī)器人100所配備的關(guān)節(jié)自由度的結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，以腿行走機(jī)器人100有一種多肢結(jié)構(gòu)，上肢包括兩個(gè)手臂和頭1，下肢包括實(shí)現(xiàn)移位動(dòng)作的兩腿，以及連接上肢和下肢的軀干。
支撐頭1的頸關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度即頸關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸2、頸關(guān)節(jié)俯仰軸3和頸關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸4。
每個(gè)手臂有肩關(guān)節(jié)俯仰軸8、肩關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸9、上臂偏轉(zhuǎn)軸10、肘關(guān)節(jié)俯仰軸11、前臂偏轉(zhuǎn)軸12、腕關(guān)節(jié)俯仰軸13、腕關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸14和手15。實(shí)際上，手15有一種包括多個(gè)手指的多關(guān)節(jié)、多自由度的結(jié)構(gòu)。不過，在這個(gè)說明中假定，手15有零自由度，因?yàn)槭?5的動(dòng)作對(duì)以腿行走機(jī)器人100的姿態(tài)控制和行走控制幾乎沒有影響。也就是說，每個(gè)手臂有7個(gè)自由度。
軀干有3個(gè)自由度即軀干俯仰軸5、軀干滾動(dòng)軸6和軀干偏轉(zhuǎn)軸7。
構(gòu)成下肢的每條腿有髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸16、髖關(guān)節(jié)俯仰軸17、髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸18、膝關(guān)節(jié)俯仰軸19、踝關(guān)節(jié)俯仰軸20、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸21和腳22。在這個(gè)說明中，髖關(guān)節(jié)俯仰軸17與髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸18之間的交叉點(diǎn)定義根據(jù)本實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100的髖關(guān)節(jié)的位置。雖然人腳22實(shí)際上有一種包括有多關(guān)節(jié)、多自由度的腳底的結(jié)構(gòu)，但假定根據(jù)本實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100的腳底有零自由度。也就是說，每條腿有6個(gè)自由度。
因此，總起來說，根據(jù)本實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100共有32(＝3+7×2+3+6×2)個(gè)自由度。不過，用于娛樂的以腿行走機(jī)器人100不總限于有32個(gè)自由度。本領(lǐng)域人士會(huì)知道，自由度數(shù)或關(guān)節(jié)數(shù)完全可以根據(jù)設(shè)計(jì)和制造的限制、特殊需要或其它加以改變。
前述以腿行走機(jī)器人100的每個(gè)自由度實(shí)際上是利用一個(gè)作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)?？紤]到通過消除其中過量突出使之與自然人體外形相似和對(duì)其中不穩(wěn)定雙腿行走結(jié)構(gòu)執(zhí)行姿態(tài)控制，小而輕的作動(dòng)器是更可取的。在本實(shí)施例中，一個(gè)直接連在一個(gè)齒輪上、并嵌入一個(gè)單芯片伺服系統(tǒng)的小AC伺服作動(dòng)器被安裝。這種伺服作動(dòng)器已被公開，例如在日本的已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給同一受讓人的未經(jīng)審查的專利出版物No.2000-299970(Japanese Patent ApplicationH11-33386)上。
圖4是示意說明以腿行走機(jī)器人100的控制系統(tǒng)的配置。如圖所示，以腿行走機(jī)器人100有機(jī)械單元30、40、50R/L、60R/L，每個(gè)單元代表對(duì)應(yīng)的人體四肢之一，還有為在這些機(jī)械單元中實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)動(dòng)作的執(zhí)行適應(yīng)性行為控制的控制單元80(下文中，后綴R和L分別代表右和左)。
控制單元80對(duì)以腿行走機(jī)器人100的總體動(dòng)作執(zhí)行集中控制?？刂茊卧?0有一個(gè)包括CPU(中央處理元件)和存儲(chǔ)器之類主要電路組件(未顯示)的主控制單元81，還包括一個(gè)外圍電路82，其中包括一個(gè)為從一個(gè)供電線路(未顯示)和以腿行走機(jī)器人100的每個(gè)組件發(fā)送和接收數(shù)據(jù)和命令的界面(未顯示)。
在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時(shí)，對(duì)控制單元80的安裝位置無(wú)限制?？刂茊卧?0雖然在圖4中安裝在軀干單元40上，但也可安裝在頭單元30上。此外，控制單元80還可以安裝在以腿行走機(jī)器人100以外，通過有線或無(wú)線的方法與以腿行走機(jī)器人100的身體進(jìn)行通訊聯(lián)系。
示于圖3中的以腿行走機(jī)器人100的每個(gè)關(guān)節(jié)自由度通過相應(yīng)作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。換句話說，頭單元30有為分別代表頸關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸2、頸關(guān)節(jié)俯仰軸3和頸關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸4而在其中設(shè)置的頸關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸作動(dòng)器A2、頸關(guān)節(jié)俯仰軸作動(dòng)器A3和頸關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸作動(dòng)器A4。
軀干單元40有為分別代表軀干俯仰軸5、軀干滾動(dòng)軸6和軀干偏轉(zhuǎn)軸7而在其中設(shè)置的軀干俯仰軸作動(dòng)器A5、軀干滾動(dòng)軸作動(dòng)器A6和軀干偏轉(zhuǎn)軸作動(dòng)器A7。
手臂單元50R/L分成上臂單元51R/L、肘關(guān)節(jié)單元52R/L和前臂單元53R/L。每個(gè)手臂單元50R/L有為分別代表肩關(guān)節(jié)俯仰軸8、肩關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸9、上臂偏轉(zhuǎn)軸10、肘關(guān)節(jié)俯仰軸11、肘關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸12、腕關(guān)節(jié)俯仰軸13、腕關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸14而在其中設(shè)置的肩關(guān)節(jié)俯仰軸作動(dòng)器A8、肩關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸作動(dòng)器A9、上臂偏轉(zhuǎn)軸作動(dòng)器A10、肘關(guān)節(jié)俯仰軸作動(dòng)器A11、前臂偏轉(zhuǎn)軸作動(dòng)器A12、腕關(guān)節(jié)俯仰軸作動(dòng)器A13、腕關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸作動(dòng)器A14。
腿單元60R/L分成大腿單元61R/L、膝單元62R/L和小腿單元63R/L。每個(gè)腿單元60R/L有為分別代表髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸16、髖關(guān)節(jié)俯仰軸17、髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸18、膝關(guān)節(jié)俯仰軸19、踝關(guān)節(jié)俯仰軸20、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸21而在其中設(shè)置的髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸作動(dòng)器A16、髖關(guān)節(jié)俯仰軸作動(dòng)器A17、髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸作動(dòng)器A18、膝關(guān)節(jié)俯仰軸作動(dòng)器A19、踝關(guān)節(jié)俯仰軸作動(dòng)器A20、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸作動(dòng)器A21。
用于相應(yīng)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器A2、A3......的每一個(gè)最好為前述直接連在一個(gè)齒輪上、并嵌入一個(gè)單芯片伺服系統(tǒng)的小AC伺服作動(dòng)器。
頭單元30、軀干單元40、手臂單元50和腿單元60有為驅(qū)動(dòng)其中安置的對(duì)應(yīng)作動(dòng)器的子控制器35、45、55和65。軀干單元40有用于分別探測(cè)腿的腳底60R和60L著地而在其中安裝的著地探測(cè)傳感器91和92，還在其中設(shè)有測(cè)定姿態(tài)的姿態(tài)傳感器93。
每個(gè)著地傳感器91和92由裝在腳底的接近傳感器、微型開關(guān)或其它類似物構(gòu)成。姿態(tài)傳感器93是由比如說一種加速傳感器和陀螺傳感器的組合構(gòu)成。
著地傳感器91和92的輸出用于確定作行走或跑動(dòng)之類動(dòng)作時(shí)左右兩腿的每一條腿是處于站立狀態(tài)還是處于閑置狀態(tài)。姿態(tài)探測(cè)器93的輸出用于確定軀干的傾斜和姿態(tài)。
主控制器80回應(yīng)傳感器91到93的輸出動(dòng)態(tài)地修正控制目標(biāo)。更具體地說，主控制器80可有適應(yīng)性地控制子傳感器35、45、55和65中的每一個(gè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一種由以腿行走機(jī)器人100的上肢、軀干和下肢協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)的全身動(dòng)作樣式。
在主控制器81設(shè)定腳動(dòng)作、零力矩點(diǎn)(ZMP)軌跡、軀干動(dòng)作、上肢動(dòng)作、腰高等，并傳輸一個(gè)指示一個(gè)對(duì)應(yīng)上述設(shè)定的動(dòng)作的命令到子控制器35、45、55、65的每一個(gè)時(shí)，機(jī)器人100的全身動(dòng)作被實(shí)現(xiàn)。這里，“ZMP”意味著行走時(shí)地板反作用力所引起的力矩為零，“ZMP軌跡”意味著比如說在以腿行走機(jī)器人100如上述行走時(shí)ZMP的移動(dòng)軌跡。子控制器35、45、55和65解釋從主控制器81收到的對(duì)應(yīng)命令，并輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)到對(duì)應(yīng)的作動(dòng)器A2、A3......。另外，主控制器81還輸出用于調(diào)整對(duì)應(yīng)的作動(dòng)器A2、A3......的比例增益K的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)自由度。在對(duì)應(yīng)的子控制器35、45、55和65調(diào)整對(duì)應(yīng)的作動(dòng)器A2、A3......的比例增益時(shí)，與各個(gè)間隙對(duì)應(yīng)的被動(dòng)自由度可被改變(如下面將說明的)。
根據(jù)本實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100基本上具有一種由轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的多“肢”結(jié)構(gòu)，它的身體在與外部世界或工作對(duì)象的閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式間執(zhí)行一種高速轉(zhuǎn)換操作，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雙腿行走、穩(wěn)定的雙臂操作等。在閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作時(shí)，預(yù)期值與實(shí)際值之間的差引起與外部世界或工作對(duì)象的問題，如“分離”、“碰撞”或其它。
例如，這種差引起意味著預(yù)期腳趾著地而沒有著地的“分離”，或引起意味著比預(yù)期的早先著地的“碰撞”。這種分離和碰撞對(duì)以腿行走機(jī)器人的身體的姿態(tài)穩(wěn)定控制有很大影響。
考慮到上述背景，根據(jù)本實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100要這樣被安排，以致每個(gè)肢有用于除去動(dòng)態(tài)閉合誤差的最低要求的被動(dòng)自由度，而且肢的可動(dòng)范圍適當(dāng)控制。因此，甚至在用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器沒有辦法獲得扭力矩信號(hào)時(shí)，閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式間的高速轉(zhuǎn)換操作也可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。
為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本實(shí)施例的以腿行走機(jī)器人100，每條腿有下述6個(gè)自由度(參見圖3)髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸(TH_Y)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸(TH_R)髖關(guān)節(jié)俯仰軸(TH_P)
膝關(guān)節(jié)俯仰軸(KN_P)踝關(guān)節(jié)俯仰軸(AK_P)踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸(AK_R)每條腿有配置在身體髖部的髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸(TH_Y)和對(duì)應(yīng)平腳上的踝關(guān)節(jié)。在本實(shí)施例中，為了使對(duì)雙腿行走機(jī)器人100的姿態(tài)穩(wěn)定控制容易進(jìn)行，要對(duì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)關(guān)節(jié)上述6個(gè)自由度和間隙的作動(dòng)器的輸出加以優(yōu)化。
為了進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)這6個(gè)關(guān)節(jié)的間隙規(guī)定了先后次序。更特別地，這些間隙以降序排列(也就是說，從好到壞)，如下所述1.圍繞髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸的間隙ΔTH_R2.圍繞踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸的間隙ΔAK_R3.圍繞髖關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙ΔTH_P4.圍繞膝關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙ΔKN_P5.圍繞踝關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙ΔAK_P6.圍繞髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的間隙ΔTH_Y條件1ΔTH_R＜ΔAK_R＜ΔTH_P＜ΔKN_P＜ΔAK_P＜ΔTH_Y在以腿行走機(jī)器人100如圖1到3所示呈兩側(cè)對(duì)稱時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解為上述關(guān)節(jié)的先后次序同樣適用于左右兩腿。另外，從使姿態(tài)穩(wěn)定控制容易進(jìn)行的觀點(diǎn)看，左右兩腿的相應(yīng)關(guān)節(jié)最好彼此有相同的間隙。
在左右兩腿分別以L和R表示時(shí)，這兩條兩側(cè)對(duì)稱的腿由下述關(guān)系式確定。條件2ΔLTH_R＝ΔRTH_RΔLAK_R＝ΔRAK_RΔLTH_P＝ΔRTH_PΔLKN_P＝ΔRKN_P
ΔLAK_P＝ΔRAK_PΔLTH_Y＝ΔRTH_Y在上述條件由于身體設(shè)計(jì)或另一種約束而被滿足時(shí)，一個(gè)肢(Limb)每個(gè)自由度的間隙總和受到了控制。更具體地說，通過設(shè)定下述表達(dá)式以致使其被滿足，基本上可實(shí)現(xiàn)同樣有利的結(jié)果。條件3ΔLTH_R+ΔLAK_R＝ΔRTH_R+ΔRAK_R≤γΔLTH_R+ΔLKN_P+ΔLAK_P＝ΔRTH_R+ΔRKN_P+ΔRAK_P≤δΔLTH_Y＝ΔRTH_Y總的來說，在本實(shí)施例中，通過設(shè)定相應(yīng)關(guān)節(jié)的間隙分配以致滿足條件1到3之一，可以優(yōu)化以腿行走機(jī)器人100的身體設(shè)計(jì)。
通過如上述優(yōu)化腿的相應(yīng)關(guān)節(jié)的間隙的分配，可使對(duì)以雙腿行走機(jī)器人100的姿態(tài)穩(wěn)定控制容易進(jìn)行。
用優(yōu)化以腿行走機(jī)器人100的身體設(shè)計(jì)以便滿足條件1到3之一的第一種方法，可測(cè)定和篩選安裝在構(gòu)成每個(gè)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器上的減速器的間隙，而與篩選了間隙的減速器相連的作動(dòng)器則被配置給相應(yīng)關(guān)節(jié)，以便制成機(jī)器人身體。
用優(yōu)化以腿行走機(jī)器人100的身體設(shè)計(jì)的第二種方法，可調(diào)整與具有統(tǒng)一間隙的減速器相連的作動(dòng)器的伺服控制器的增益，以便滿足條件1到3之一。
用優(yōu)化以腿行走機(jī)器人100的第一種方法，每條腿有為除去動(dòng)態(tài)閉合誤差的最低要求的被動(dòng)自由度，而且每個(gè)自由度的可動(dòng)范圍完全受到控制。如圖5所示，術(shù)語(yǔ)“閉合點(diǎn)”在此是指閑置腿的一個(gè)接觸點(diǎn)，兩條腿通過此點(diǎn)相連在閑置腿著地時(shí)與地板面形成一種幾何上的閉合狀態(tài)。另外，術(shù)語(yǔ)“動(dòng)態(tài)閉合誤差”是指一個(gè)閉合件相對(duì)于閉合點(diǎn)(閉合面)在目標(biāo)姿態(tài)與實(shí)際姿態(tài)之間的距離誤差和角度誤差，亦即閉合面的空間位移量。此外，被動(dòng)自由度主要通過使用減速器的間隙實(shí)現(xiàn)。換句話說，通過完全控制與用于驅(qū)動(dòng)腿的相應(yīng)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器相連的減速器的間隙，甚至在用于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器沒有辦法獲得扭力矩信號(hào)時(shí)，也能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式間的高速轉(zhuǎn)換操作。
根據(jù)第一種方法，因?yàn)橥鹊奶卣骺捎蓪?shí)際間隙確定，所以總可得到適合于前饋行走的腿的特征。
根據(jù)優(yōu)化以腿行走機(jī)器人100的第一種方法的基本原理，當(dāng)一個(gè)肢的一個(gè)關(guān)節(jié)較靠近這個(gè)肢的遠(yuǎn)端安置時(shí)，這個(gè)關(guān)節(jié)有較大的間隙，而這個(gè)肢每個(gè)自由度的間隙的和受到控制。
用這種安排，對(duì)通過除去比如說在對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)閉合誤差所引起的對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)，可以以下述次序加以控制腳＞下股骨＞上股骨。因此，由對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)所引起的干擾可被降低，還可防止高增益局部反饋系統(tǒng)所引起的大扭力矩的出現(xiàn)，進(jìn)而防止對(duì)應(yīng)腳底的突然滑動(dòng)和分離。
假定間隙的和與本發(fā)明的相同，那么討論這樣一種情況，其中，間隙以下述次序分配髖關(guān)節(jié)＞膝關(guān)節(jié)＞踝關(guān)節(jié)，亦即本發(fā)明次序的反次序。
在這種情況下，因?yàn)轶y關(guān)節(jié)有大間隙，所以閑置腿腳底相對(duì)于它的“位置和姿態(tài)”的偏離變得較大，進(jìn)而導(dǎo)致在轉(zhuǎn)換站立模式時(shí)ZMP控制精度惡化。另外，因?yàn)閷?duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)腿頂部的間隙小，所以對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)可用“上股骨＝下股骨＝腳”來近似表達(dá)。因此，由對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)所引起的干擾增大，而由高增益局部反饋系統(tǒng)所引起的大扭力矩也可能突然在腳和膝作動(dòng)器處產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)應(yīng)腳底可能會(huì)突然發(fā)生分離(最終身體可能跌倒)。
圖5說明雙腿行走機(jī)器人100腿動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)閉合誤差。動(dòng)態(tài)閉合誤差是身體的實(shí)際姿態(tài)對(duì)目標(biāo)姿態(tài)的偏離，可用隨時(shí)間變化的距離誤差和角度誤差表達(dá)。動(dòng)態(tài)閉合誤差本身可被消除。
優(yōu)化以腿行走機(jī)器人100的第一種方法，其中，當(dāng)一個(gè)肢的一個(gè)關(guān)節(jié)較靠近這個(gè)肢的遠(yuǎn)端安置時(shí)，這個(gè)關(guān)節(jié)有較大的間隙，而這個(gè)肢每個(gè)自由度的間隙的和受到控制，這種方法并不限于上述的下肢，也同樣適用于手和上肢。
在手和上肢的情況，控制一個(gè)肢每個(gè)自由度的間隙的和的同時(shí)，當(dāng)一個(gè)肢的一個(gè)關(guān)節(jié)較靠近這個(gè)肢的遠(yuǎn)端安置時(shí)，這個(gè)關(guān)節(jié)有較大的間隙。與上述情況相反，在一個(gè)肢的一個(gè)關(guān)節(jié)比這個(gè)關(guān)節(jié)較靠近這個(gè)肢的底部安置有較大間隙時(shí)，全肢在從開放聯(lián)系模式到閉合聯(lián)系模式的轉(zhuǎn)換期間所產(chǎn)生的波動(dòng)增大，進(jìn)而導(dǎo)致處理主動(dòng)控制(handling activation control)和ZMP控制的精度惡化。
圍繞每個(gè)肢的滾動(dòng)軸和俯仰軸的總間隙的目標(biāo)值如下0.15度＜圍繞滾動(dòng)軸的總間隙(γ)＜0.40度0.30度＜圍繞俯仰軸的總間隙(δ)＜0.80度優(yōu)化以腿行走機(jī)器人100的第一種方法有一個(gè)利用與相應(yīng)關(guān)節(jié)作動(dòng)器連接的減速器的間隙的變化的問題。所以，在商業(yè)生產(chǎn)以腿行走機(jī)器人的關(guān)節(jié)作動(dòng)器，因而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)間隙在一定變化范圍的變化的減速器時(shí)，很難說以其測(cè)定和篩選間隙的上述第一種方法是最好的。
圖6說明商業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人間隙與性能之間的關(guān)系。通過按所希望的調(diào)整每個(gè)關(guān)節(jié)軸的位置伺服補(bǔ)償器的開放環(huán)路增益，以便控制位置誤差的變化，優(yōu)化以腿行走機(jī)器人100的第二種方法有與前述第一種優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)相似的優(yōu)點(diǎn)。
圖7說明用線性位置伺服補(bǔ)償調(diào)整的間隙與性能之間的關(guān)系。另外，圖8說明用于控制圖7所示性能的一種位置伺服補(bǔ)償器的具體配置。
通過調(diào)整圖8所示位置伺服系統(tǒng)的比例增益K(系列補(bǔ)償增益)，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化以腿行走機(jī)器人100的第二種方法。
假定商業(yè)生產(chǎn)的減速器的平均間隙比如說是0.3度，當(dāng)比例增益K等于2.0時(shí)，減速器的性能(其中定位精度等于間隙)顯現(xiàn)。
再假定開放環(huán)路增益的頻率響應(yīng)特征在f≤1Hz時(shí)有一個(gè)+30dB的抑制比，通過把比例增益K降到1.8，開放環(huán)路增益可減少到+29dB，降低了大約1dB。
當(dāng)在一個(gè)9度的目標(biāo)角以相當(dāng)于1Hz頻率的速度輸入時(shí)，這個(gè)增益差引起0.285度的位置變化，因?yàn)橐种票仍诒壤鲆鍷為2.0時(shí)是+30dB。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于間隙是0.3度，這種變化實(shí)際上不在這個(gè)間隙值內(nèi)。
同時(shí)，在比例增益K減小到1.8時(shí)，由于抑制比變成-29dB，所以位置偏離變成0.32度。這相當(dāng)于間隙實(shí)際增加0.02度。
圖9說明比例增益與抑制比的關(guān)系。
通過把上述操作用于腿的每個(gè)關(guān)節(jié)軸，腿可獲得優(yōu)化的性能。因?yàn)檫@種操作可用于任何關(guān)節(jié)軸的作動(dòng)器，所以可以說，這是設(shè)計(jì)由商業(yè)生產(chǎn)組件組裝的腿的性能的一種極有效的方法。
圖10說明用非線性位置伺服補(bǔ)償調(diào)整的間隙與性能之間的關(guān)系。在圖10所示的例子中，間隙是在使死區(qū)最小時(shí)調(diào)整的。另外，圖11說明用于控制圖10所示性能的另一種位置伺服補(bǔ)償器的具體配置。
圖12說明用非線性位置伺服補(bǔ)償調(diào)整的間隙與性能之間的關(guān)系。在圖12所示的例子中，間隙通過有意加寬死區(qū)來調(diào)整，以便在作動(dòng)器的滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)出一定角度范圍時(shí)，提供一種實(shí)用性能。另外，圖13說明用于控制圖12所示性能的另一種位置伺服補(bǔ)償器的具體配置。
以腿行走機(jī)器人100，通過滾動(dòng)軸和俯仰軸的組合，軀干、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等的每個(gè)關(guān)節(jié)都各有關(guān)節(jié)自由度。本發(fā)明人等建議，機(jī)器人身體要這樣設(shè)計(jì)，以致對(duì)于它們的共同關(guān)節(jié)來說，圍繞俯仰軸的間隙ΔP大于圍繞滾動(dòng)軸的間隙ΔR(即ΔP＞ΔR)。在向前直線行走的情況被考慮時(shí)，雙腿行走的機(jī)器人，因?yàn)闆]有側(cè)滑動(dòng)作卷入，以滾動(dòng)動(dòng)作和側(cè)滑動(dòng)作為主，所以機(jī)器人在X方向比在Y方向有更寬的穩(wěn)定區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致這樣的結(jié)論ΔP＞ΔR。
在偏轉(zhuǎn)軸像圖3所示身體的關(guān)節(jié)自由度結(jié)構(gòu)一樣安置在腿的底部時(shí)，甚至在例如轉(zhuǎn)彎時(shí)出現(xiàn)側(cè)滑動(dòng)作時(shí)，這種側(cè)滑動(dòng)作也不干擾平腳在腿坐標(biāo)系中(髖關(guān)節(jié)是其中的原點(diǎn))的俯仰或滾動(dòng)動(dòng)作。也就是說，偏轉(zhuǎn)軸間隙ΔY所引起的平腳姿態(tài)偏斜只影響偏轉(zhuǎn)軸角度，在實(shí)際穩(wěn)定區(qū)充分大于這種偏斜時(shí)，可忽略不計(jì)。
另一方面，在偏轉(zhuǎn)軸安置在上股骨或下股骨時(shí)，偏轉(zhuǎn)軸間隙ΔY干擾平腳在腿坐標(biāo)系中(髖關(guān)節(jié)是其中的原點(diǎn))的俯仰或滾動(dòng)動(dòng)作。在這種情況下，控制偏轉(zhuǎn)軸間隙ΔY顯得越來越重要。
根據(jù)上述技術(shù)背景，以腿行走機(jī)器人相應(yīng)關(guān)節(jié)的間隙分配可概括如下。
(1)基于ZMP控制觀點(diǎn)的表達(dá)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)＝預(yù)設(shè)ZMP(ZMPX，ZMPY，ZMPZ)+ΔZMP(ΔZMPX，ΔZMPY，ΔZMPZ)≤S(SX，SY，SZ)t時(shí)間預(yù)設(shè)ZMP(ZMPX，ZMPY，ZMPZ)ZMP目標(biāo)位置(X方向目標(biāo)位置，Y方向目標(biāo)位置，Z方向目標(biāo)位置)ΔZMP(ΔZMPX，ΔZMPY，ΔZMPZ)ZMP差(X方向差，Y方向差，Z方向差)S(SX，SY，SZ)實(shí)際穩(wěn)定區(qū)(X方向區(qū)，Y方向區(qū)，Z方向區(qū))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)根據(jù)目標(biāo)值和對(duì)應(yīng)自由度的差計(jì)算實(shí)際ZMP位置的函數(shù)Pi圍繞第i個(gè)俯仰軸的自由度的角度目標(biāo)值 圍繞第i個(gè)俯仰軸的自由度的角速度目標(biāo)值 圍繞第i個(gè)俯仰軸的自由度的角加速度目標(biāo)值ΔPi起因于圍繞第i個(gè)俯仰軸的自由度的間隙對(duì)角度目標(biāo)值的偏離 起因于圍繞笫i個(gè)俯仰軸的自由度的間隙對(duì)角速度目標(biāo)值的偏離 起因于圍繞第i個(gè)俯仰軸的自由度的間隙對(duì)角加速度目標(biāo)值的偏離Ri圍繞第i個(gè)滾動(dòng)軸的自由度的角度目標(biāo)值 圍繞第i個(gè)滾動(dòng)軸的自由度的角速度目標(biāo)值 圍繞第i個(gè)滾動(dòng)軸的自由度的角加速度目標(biāo)值ΔRi起因于圍繞第i個(gè)滾動(dòng)軸的自由度的間隙對(duì)角度目標(biāo)值的偏離 起因于圍繞第i個(gè)滾動(dòng)軸的自由度的間隙對(duì)角速度目標(biāo)值的偏離 起因于圍繞第i個(gè)滾動(dòng)軸的自由度的間隙對(duì)角加速度目標(biāo)值的偏離Yi圍繞第i個(gè)偏轉(zhuǎn)軸的自由度的角度目標(biāo)值 圍繞第i個(gè)偏轉(zhuǎn)軸的自由度的角速度目標(biāo)值 圍繞第i個(gè)偏轉(zhuǎn)軸的自由度的角加速度目標(biāo)值ΔYi起因于圍繞第i個(gè)偏轉(zhuǎn)軸的自由度的間隙對(duì)角度目標(biāo)值的偏離 起因于圍繞第i個(gè)偏轉(zhuǎn)軸的自由度的間隙對(duì)角速度目標(biāo)值的偏離 起因于圍繞第i個(gè)偏轉(zhuǎn)軸的自由度的間隙對(duì)角加速度目標(biāo)值的偏離(2)基于動(dòng)態(tài)閉合誤差觀點(diǎn)的表達(dá)|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，)根據(jù)對(duì)應(yīng)目標(biāo)值計(jì)算動(dòng)態(tài)閉合誤差的函數(shù)ΔC(ΔCX，ΔCY，ΔCZ，ΔCp，ΔCr，ΔCy)動(dòng)態(tài)閉合誤差的最大值ΔCXX方向動(dòng)態(tài)閉合誤差ΔCYY方向動(dòng)態(tài)閉合誤差ΔCZZ方向動(dòng)態(tài)閉合誤差ΔCp圍繞俯仰軸動(dòng)態(tài)閉合誤差ΔCr圍繞滾動(dòng)軸動(dòng)態(tài)閉合誤差ΔCy圍繞偏轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)閉合誤差為滿足方程ΔC(ΔCX，ΔCY，ΔCZ，ΔCp，ΔCr，ΔCy)＝0求ΔPi，ΔRj，ΔYk的最小值因此，每個(gè)關(guān)節(jié)間隙范圍根據(jù)上述表達(dá)式(1)和(2)確定。附錄雖然已參照附圖對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說明，但本領(lǐng)域人士顯然會(huì)在不背離本發(fā)明精神的情況下對(duì)上述實(shí)施例加以修改和選擇。
另外，本發(fā)明的精神也不總限于叫機(jī)器人的產(chǎn)品。也就是說，本發(fā)明也適用于其它如玩具之類的工業(yè)領(lǐng)域，只要它們是執(zhí)行通過利用電或磁的效應(yīng)模仿人類動(dòng)作的動(dòng)作的。
最后，這個(gè)說明中的描述不應(yīng)以有限的方式來解釋，因?yàn)樗且允痉兜男问焦_的。為了理解本發(fā)明的精神，應(yīng)當(dāng)看開頭所述權(quán)利要求。
工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明，可提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機(jī)器人，這種機(jī)器人，通過轉(zhuǎn)換其站立模式，例如通過交替用一條或左右兩條可動(dòng)腿站立，可穩(wěn)定而準(zhǔn)確地執(zhí)行腿動(dòng)操作，同時(shí)，還為這種機(jī)器人提供一種優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)控制方法。
另外，根據(jù)本發(fā)明，可提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機(jī)器人，這種機(jī)器人，在它從開放聯(lián)系機(jī)制到閉合聯(lián)系機(jī)制改變其與地板、墻壁或其它的聯(lián)系機(jī)制時(shí)，例如在它從單腿站立模式到雙腿站立模式轉(zhuǎn)換其站立模式時(shí)，可根據(jù)預(yù)期值與實(shí)際值的差所引起的分離或碰撞，執(zhí)行姿態(tài)穩(wěn)定操作，同時(shí)，還為這種機(jī)器人提供一種優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)控制方法。
再者，根據(jù)本發(fā)明，可提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機(jī)器人，這種機(jī)器人可在與外部世界或工作對(duì)象的開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式之間執(zhí)行高速轉(zhuǎn)換操作，而不失去其身體的姿態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)，還為這種機(jī)器人提供一種優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)控制方法。
權(quán)利要求
1.一種以腿行走的機(jī)器人至少包括可動(dòng)腿，其中，每條可動(dòng)腿有多個(gè)關(guān)節(jié)自由度和被動(dòng)自由度，并對(duì)相應(yīng)關(guān)節(jié)提供一種先后次序，以便除去動(dòng)態(tài)閉合誤差。
2.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，可動(dòng)腿是左右可動(dòng)腿，左右可動(dòng)腿彼此有基本相同的自由度。
3.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，每個(gè)關(guān)節(jié)自由度由連接有減速器的作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，每個(gè)關(guān)節(jié)的被動(dòng)自由度由與作動(dòng)器連接的減速器的間隙實(shí)現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求3的以腿行走的機(jī)器人，其中，一個(gè)肢的一個(gè)較靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)關(guān)節(jié)有較大的間隙。
5.如權(quán)利要求3的以腿行走的機(jī)器人，其中，一個(gè)肢的一個(gè)較靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)關(guān)節(jié)在圍繞滾動(dòng)軸的自由度上有較大的間隙。
6.如權(quán)利要求3的以腿行走的機(jī)器人，其中，一個(gè)肢的一個(gè)較靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)關(guān)節(jié)在圍繞俯仰軸的自由度上有較大的間隙。
7.如權(quán)利要求3的以腿行走的機(jī)器人，其中，一個(gè)肢的一個(gè)最靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)最靠近這個(gè)肢底部安置的關(guān)節(jié)有較大的間隙。
8.如權(quán)利要求3的以腿行走的機(jī)器人，其中，一個(gè)肢的一個(gè)最靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)最靠近這個(gè)肢底部安置的關(guān)節(jié)在圍繞滾動(dòng)軸的自由度上有較大的間隙。
9.如權(quán)利要求3的以腿行走的機(jī)器人，其中，一個(gè)肢的一個(gè)最靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)最靠近這個(gè)肢底部安置的關(guān)節(jié)在圍繞俯仰軸的自由度上有較大的間隙。
10.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙依這種次序變小。
11.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸的間隙小于圍繞踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸的間隙。
12.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙依這種次序變小。
13.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙小于圍繞踝關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙。
14.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙小于圍繞膝關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙。
15.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，圍繞對(duì)膝關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙小于圍繞踝關(guān)節(jié)俯仰軸的間隙。
16.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)，在除去相應(yīng)閑置腿著地時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)閉合誤差時(shí)出現(xiàn)，以下述次序加以控制腳＞下股骨＞上股骨。
17.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，全肢在每個(gè)自由度上的間隙和被控制。
18.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，一個(gè)下肢圍繞滾動(dòng)軸的間隙和在0.05-2.0度范圍內(nèi)。
19.如權(quán)利要求1的以腿行走的機(jī)器人，其中，一個(gè)下肢圍繞俯仰軸的間隙和在0.10-4.0度范圍內(nèi)。
20.一種機(jī)器人裝置至少有一個(gè)具有至少圍繞滾動(dòng)軸和俯仰軸的自由度的關(guān)節(jié)，其中，這個(gè)關(guān)節(jié)有滾動(dòng)軸間隙ΔR和俯仰軸間隙ΔP，這些間隙滿足下述條件ΔR＞ΔP。
21.如權(quán)利要求20的機(jī)器人裝置，其中，俯仰軸間隙ΔP至少是滾動(dòng)軸間隙ΔR的1.5倍。
22.一種用于一種包括至少可動(dòng)腿，而每條可動(dòng)腿有多個(gè)由位置伺服控制確定的關(guān)節(jié)自由度的以腿行走的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，包括為除去相應(yīng)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)閉合誤差向這個(gè)相應(yīng)關(guān)節(jié)提供被動(dòng)自由度的步驟。
23.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，動(dòng)態(tài)閉合誤差通過調(diào)整相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益除去。
24.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，可動(dòng)腿是左右可動(dòng)腿，和其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益這樣調(diào)整，以致左右可動(dòng)腿基本上有彼此相同的被動(dòng)自由度。
25.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器的比例增益或非比例增益這樣調(diào)整，以致一個(gè)肢的一個(gè)較靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)關(guān)節(jié)有較大的被動(dòng)自由度。
26.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器的比例增益這樣調(diào)整，以致一個(gè)肢的一個(gè)較靠近這個(gè)肢開放-閉合模式轉(zhuǎn)換部分安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)關(guān)節(jié)有較大的被動(dòng)自由度。
27.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)自由度的作動(dòng)器的比例增益這樣調(diào)整，以致一個(gè)肢的一個(gè)較靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)關(guān)節(jié)有較大的圍繞滾動(dòng)軸的被動(dòng)自由度。
28.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)自由度的作動(dòng)器的比例增益這樣調(diào)整，以致一個(gè)肢的一個(gè)較靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比這一肢的另一個(gè)關(guān)節(jié)有較大的圍繞俯仰軸的被動(dòng)自由度。
29.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)自由度的作動(dòng)器的比例增益這樣調(diào)整，以致一個(gè)肢的一個(gè)最靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比另一個(gè)最靠近這個(gè)肢底部安置的關(guān)節(jié)有較大的被動(dòng)自由度。
30.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)自由度的作動(dòng)器的比例增益或非比例增益這樣調(diào)整，以致一個(gè)肢的一個(gè)最靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比另一個(gè)最靠近這個(gè)肢底部安置的關(guān)節(jié)有較大的圍繞滾動(dòng)軸的被動(dòng)自由度。
31.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)自由度的作動(dòng)器的比例增益或非比例增益這樣調(diào)整，以致一個(gè)肢的一個(gè)最靠近這個(gè)肢遠(yuǎn)端安置的關(guān)節(jié)比另一個(gè)最靠近這個(gè)肢底部安置的關(guān)節(jié)有較大的圍繞俯仰軸的被動(dòng)自由度。
32.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益或非比例增益這樣調(diào)整，以致圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸的被動(dòng)自由度依這種次序變小。
33.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，在開-閉模式轉(zhuǎn)換期間，即腿從它的站立模式到它的閑置模式轉(zhuǎn)換它的站立模式時(shí)，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益或非比例增益這樣調(diào)整，以致圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸的被動(dòng)自由度依這種次序變小。
34.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益這樣調(diào)整，以致髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸的可動(dòng)范圍小于踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸的可動(dòng)范圍。
35.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，可動(dòng)腿至少有圍繞相應(yīng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸、膝關(guān)節(jié)俯仰軸、踝關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸的關(guān)節(jié)自由度，和其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益這樣調(diào)整，以致髖關(guān)節(jié)俯仰軸的可動(dòng)范圍小于踝關(guān)節(jié)俯仰軸的可動(dòng)范圍。
36.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，相應(yīng)關(guān)節(jié)的比例增益這樣調(diào)整，以致對(duì)應(yīng)連接的波動(dòng)，在除去對(duì)應(yīng)閑置腿著地時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)閉合誤差時(shí)出現(xiàn)，以下述次序加以控制腳＞下股骨＞上股骨。
37.如權(quán)利要求21的用于以腿行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中，在提供被動(dòng)自由度的步驟中，對(duì)全肢在每個(gè)自由度上的被動(dòng)自由度的和可加以控制。
全文摘要
在至少有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(至少有兩個(gè)自由度)的機(jī)器人中，為了執(zhí)行在與外部世界或工作對(duì)象的閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式之間的高速轉(zhuǎn)換操作，每一肢設(shè)有為除去動(dòng)態(tài)閉合誤差的最低要求的被動(dòng)自由度(如減速器的間隙)，并且對(duì)這一肢的可動(dòng)范圍進(jìn)行適當(dāng)控制。甚至在用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)的作動(dòng)器沒有辦法獲得扭力矩信號(hào)時(shí)，也可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)在閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式之間的高速轉(zhuǎn)換操作。
文檔編號(hào)B62D57/00GK1476372SQ02803088
公開日2004年2月18日 申請(qǐng)日期2002年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月1日
發(fā)明者森直人, 入部正繼, 山口仁一, 一, 繼 申請(qǐng)人:索尼公司, 山口仁一