專利名稱：以腿行走的機器人與對其動作的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及實際的機器人，每個機器人都有模擬生命體的機制或動作的結構，并涉及對其動作的控制方法，特別是涉及以腿行走的機器人，每個機器人都有模擬直立行走的人和猿的機制或動作的結構，本發(fā)明還涉及對其動作的控制方法。
更特別的是，本發(fā)明涉及一種以腿行走的機器人，它可通過一條可動腿或左右兩條可動腿的交替站立穩(wěn)定而準確地執(zhí)行腿動動作，本發(fā)明還涉及對其動作的控制方法。尤為特別的是，本發(fā)明涉及一種以腿行走的機器人，在這種以腿行走的機器人改變它與地板、墻壁等的聯(lián)系機制，從開放聯(lián)系機制變成閉合聯(lián)系機制時，例如在機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，它可按照預期值與實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)明還涉及對其動作的控制方法。
背景技術：
通過利用電或磁的效應執(zhí)行模擬人的動作的機械裝置叫做機器人。機器人(ROBOT)一詞的詞源據說是源于斯拉夫語的“ROBOTA”(奴隸機器)。雖然從1960年代末以來機器人已廣泛用于日本，但大多數(shù)機器人是工業(yè)機器人，如用于工廠中自動化生產和無人生產的操作手和運輸機器人。
固定機器人，如固定安裝在特定位置的機器手(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，活動機器人，在一種不固定的工作空間，通過靈活地沿預定路線或無路線的移動執(zhí)行規(guī)定的或非規(guī)定的人類動作之類的操作，提供替代人、狗和其他動物的各種服務。特別是，以腿行走的機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，雖然這些機器人在姿態(tài)控制和行走上比履帶型機器人和輪式機器人要不穩(wěn)定，也要困難。
最近，在研究與開發(fā)人形機器人之類以腿行走的機器人、即通過模擬人之類兩腿行走動物的身體機制和動作所設計的類人機器人方面取得了進展，因此，對實際應用的預期已日益形成。例如，索尼公司2000年11月25日公開了兩腿行走的類人機器人“SDR-3X”。
下述兩種觀點在據以理解研究與開發(fā)叫做人形機器人、即類人機器人的兩腿行走機器人的意義方面是有代表性的。
一種是來自人類科學的觀點。更具體地說，制造一種具有模擬人的下肢和/或上肢的結構的機器人并為其設計控制方法，在技術上導致通過人類動作的模擬過程解決自然人動作包括行走的機制。這種研究預期會對研究人類運動機制的各個其它領域如人機過程學、康復技術和運動科學有顯著貢獻。
另一種是來自為支持作為人的助手的生活活動、亦即支持各種日常環(huán)境包括生活環(huán)境中的人類活動而開發(fā)實際機器人的觀點。這些類型的機器人需要學習適應人，而每個人有不同的個性，或在人教它后適應不同的環(huán)境，并進一步開發(fā)其在人類生活環(huán)境各個方面中的功能。一個具有與人同形或同結構的人形機器人或機器人預期會對與人的順利溝通有效地發(fā)揮作用。
例如，在教一個機器人通過現(xiàn)場的一個房間而避開一個障礙物而不碰上它時，預期操作者把上述動作教給一個形狀與操作者類似的兩腿行走的機器人比教給一個履帶型機器人或一個結構與操作者完全不同的四方形機器人要容易。另外，這對于被教的機器人也一定是容易的(例如，參見TakanishiControl of Biped walking robot[兩腿行走機器人的控制]，Society ofAutomotive Engineers of Japan[日本自動化工程師協(xié)會]，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兩腿直立行走的人的身體機制和行為模式建構的。換句話說，現(xiàn)有的有輪子的機械系統(tǒng)和驅動單元，作為在人類生活空間活動的移動工具，存在非常多的不利于它們行動的障礙。為了使這種機械系統(tǒng)即機器人提供支持或替代各種人類操作的服務，因而使其深深卷入人類生活空間，機器人最好有一個基本上同人一樣的活動范圍。這是為什么以腿行走機器人大有可能付諸實用的原因?？梢赃@樣說，機器人必須有一種人的結構，以便更貼近人類生活環(huán)境。
關于兩腿行走的機器人，已有許多姿態(tài)控制和穩(wěn)定行走的技術被提出。如上述那樣的穩(wěn)定行走被定義為以腿不跌倒地移位。
機器人的姿態(tài)穩(wěn)定控制對于防止機器人跌倒是極其重要的，因為跌倒會使機器人正在執(zhí)行的操作停止，而為了從跌倒站起重新執(zhí)行操作還需要相當多的能量和時間。最重要的是，機器人跌倒有使機器人本身或與跌倒機器人相撞的障礙物遭到致命損害的危險。因此，行走和其它腿動操作的姿態(tài)穩(wěn)定控制是設計和開發(fā)以腿行走機器人時的最重要問題。
行走時，因為重力和行走動作所引起的加速度，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。根據所謂的達朗伯(D’Alambert)原理，這些力和力矩是與作為從路面到行走系統(tǒng)的反作用的結果的地板反作用力和力矩平衡的。作為動力學推論的一個結果，腳底著地點和路面所形成的一個輔助多邊形有一個點，在這個點上，俯仰軸(pitch-axis)和滾動軸(roll-axis)的力矩為零，換句話說，零力矩點(ZMP)在這個輔助多邊形的邊上或之內。
有關以腿行走機器人姿態(tài)穩(wěn)定控制和防止跌倒的大多數(shù)建議使用這個ZMP作為確定行走穩(wěn)定性的一個判據?；赯MP判據的這一代兩腿行走模式機器人有一些優(yōu)點，容易根據路面形態(tài)等考慮腳指的運動學約束條件，因為腳底著地點可以預設。用ZMP作為確定穩(wěn)定性的一個判據意味著，把軌跡而不是力用作動作控制的目標值，因而提高了這種機器人的技術可行性。
ZMP的一般概念和ZMP作為確定行走機器人穩(wěn)定性的一個判據的應用在Miomir Vukobratovic所寫的“LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”(以腿移位的機器人)中作了說明(Ichiro Kato等，“Walking Robot and Artificialleg”[行走機器人和人造腿]，The Nikkan Kogyo Shimbun Ltd.)。
一般地說，兩腿行走機器人如類人機器人有一個重心，與四方形機器人相比，其穩(wěn)定行走時的位置較高，而穩(wěn)定行走時的ZMP區(qū)域較窄。所以，姿態(tài)隨路面形態(tài)變化這樣一個問題對于兩腿行走機器人是特別重要的。
不過，以腿行走機器人僅僅是從開發(fā)階段到實用階段邁出的第一步，大量技術問題仍有待解決。
預期將在人類生活環(huán)境中起積極作用的以腿行走機器人有多個由轉動關節(jié)構成的“肢”，要求它在與外部世界或工作對象聯(lián)系的閉合模式(closedlink mode)與開放模式(open link mode)間執(zhí)行高速操作轉換，以便實現(xiàn)穩(wěn)定的兩腿行走、穩(wěn)定的兩臂操作，或其它。
例如，這種以腿行走機器人可執(zhí)行各種腿動操作，如通常通過交替用一條或左右兩條可動腿站立的行走。當以腿行走機器人從開放聯(lián)系機制(openlink mechanism)到閉合聯(lián)系機制(closed link mechanism)改變它與地板、墻壁或其它的聯(lián)系機制時，例如在它從單腿站立模式到雙腿站立模式轉換它的站立模式時，常常在來自它的控制系統(tǒng)的預期值與比如說在它的著地腳趾處的實際值之間，有一個差。
這樣一種預期值與實際值的差引起“分離”，意思是，腳趾預期著地時沒有著地，或引起“碰撞”，意思是，腳趾比預期的早著地。這種分離和碰撞對以腿行走機器人身體的姿態(tài)穩(wěn)定控制有很大影響。
迄今為止，為了用反饋控制實現(xiàn)從開放聯(lián)系模式到閉合聯(lián)系模式的高速操縱轉換已作了一些努力，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或來自驅動關節(jié)的作動器(actuator)的扭力矩信號的軟件實現(xiàn)的。不過，用這種方法實現(xiàn)穩(wěn)定的動作，從技術觀點看，是非常困難的，因為所要求的短反饋周期、高分辨率、高速和驅動關節(jié)的大加速度要達到一種不現(xiàn)實的程度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目標是提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機器人，這種機器人，通過轉換其站立模式，例如通過交替用一條或左右兩條可動腿站立，可穩(wěn)定而準確地執(zhí)行腿動操作，同時，還為這種機器人提供一種優(yōu)秀的運動控制方法。
本發(fā)明的另一目標是提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機器人，這種機器人，在它從開放聯(lián)系機制到閉合聯(lián)系機制改變其與地板、墻壁或其它的聯(lián)系機制時，例如在它從單腿站立模式到雙腿站立模式轉換其站立模式時，可根據預期值與實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，還為這種機器人提供一種優(yōu)秀的運動控制方法。
本發(fā)明的再一目標是提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機器人，這種機器人可在與外部世界或工作對象的開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式之間執(zhí)行高速轉換操作，而不失去其身體的姿態(tài)穩(wěn)定性，同時，還為這種機器人提供一種優(yōu)秀的運動控制方法。
本發(fā)明是在考慮到上述問題時作出的，因此，根據其中第一方面，一個以腿行走的機器人至少包括可動腿，其中，每條可動腿有多個關節(jié)自由度和被動自由度，并對相應關節(jié)提供一種先后次序，以便除去動態(tài)閉合誤差(dynamic closing error)。
按照這個根據本發(fā)明第一目標的以腿行走的機器人，它至少有一個轉動關節(jié)(其可以具有至少兩個自由度)，為了在與外部世界或工作對象的開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式之間執(zhí)行高速轉換操作，每條腿設有最低要求的被動自由度(如減速器[reducer]的間隙[backlash])，以便除去動態(tài)閉合誤差，而這條腿的可動范圍也是完全得到控制的。
因此，甚至在驅動相應關節(jié)的作動器沒有辦法獲得扭力矩信號時，閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式之間的高速轉換操作也能穩(wěn)定實現(xiàn)。
例如，在以腿行走的機器人是一個有左右兩條可動腿的雙腿行走的機器人時，左右兩條可動腿可以這樣制作，以致彼此有基本相同的自由度。因此，身體有一種基本對稱的特征，進而使姿態(tài)穩(wěn)定控制容易實現(xiàn)。
另外，可動腿的每個關節(jié)的自由度是通過一個與減速器相連的作動器實現(xiàn)的。在這種情況下，每個關節(jié)的被動自由度是通過與作動器相連的減速器的間隙實現(xiàn)的。
再者，通過把一條腿的一個關節(jié)安排在較靠近這條腿的遠端，以致比另一條腿的關節(jié)有較大的間隙，可降低對應連接在對應閑置腿著地時波動(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)，進而防止對應腳底的突然滑動或分離。
可動腿有至少圍繞髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸(yaw-axis)的關節(jié)自由度。在這種情況下，通過圍繞相應的髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸和踝關節(jié)俯仰軸安排依次變小的間隙，可降低在對應閑置腿著地時對應連接的波動所引起的干擾，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)，進而防止對應腳底的突然滑動或分離。
另外，通過以下述次序腳＞下股骨＞上股骨，控制對應連接的波動，該波動是在除去對應閑置腿著地時所產生的動態(tài)閉合誤差時出現(xiàn)的，可降低對在對應閑置腿著地時對應連接的波動所引起的干擾，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)，進而防止對應腳底在地板面上的突然滑動或與地板面分離。
再者，為了維持對身體的一種ZMP姿態(tài)穩(wěn)定控制，可以對每個自由度上整條肢(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。
根據本發(fā)明的第二方面，一個機器人裝置包括至少一個關節(jié)有至少圍繞滾動軸和俯仰軸的自由度，其中，這個關節(jié)有滾動軸間隙ΔR和俯仰軸間隙ΔP，這兩個間隙滿足下述條件ΔP＞ΔR在這種情況下，俯仰軸間隙ΔP可以是滾動軸間隙ΔR的至少1.5倍。
以腿行走的機器人，通過滾動軸和俯仰軸的組合，軀干、髖關節(jié)、踝關節(jié)等的每個關節(jié)都各有關節(jié)自由度。本發(fā)明人等建議，機器人身體要這樣設計，以致對于它們的共同關節(jié)來說，圍繞俯仰軸的間隙ΔP大于圍繞滾動軸的間隙ΔR(即ΔP＞ΔR)。在向前直線行走的情況被考慮時，雙腿行走的機器人，因為沒有側滑動作卷入，以滾動動作和側滑動作為主，所以機器人在X方向比在Y方向有更寬的穩(wěn)定區(qū)，進而導致這樣的結論ΔP＞ΔR。
另外，在偏轉軸像身體的關節(jié)自由度結構那樣被安置在腿的底部時，甚至在例如轉彎時出現(xiàn)側滑動作時，這種側滑動作也不干擾平腳在腿坐標系中(髖關節(jié)是其中的原點)的俯仰或滾動動作。也就是說，偏轉軸間隙ΔY所引起的平腳姿態(tài)偏斜只影響偏轉軸角度，在實際穩(wěn)定區(qū)充分大于這種偏斜時，可忽略不計。
另一方面，在偏轉軸安置在上股骨或下股骨時，偏轉軸間隙ΔY干擾平腳在腿坐標系中(髖關節(jié)軸是其中的原點)的俯仰或滾動動作。在這種情況下，控制偏轉軸間隙ΔY越來越顯得重要。
根據本發(fā)明的第三方面，對至少包括可動腿、每條可動腿有多個由位置伺服控制所確定的關節(jié)自由度的雙腿行走機器人的運動控制方法，包括為除去相應關節(jié)的動態(tài)閉合誤差向這些相應關節(jié)提供被動自由度的步驟。
按照這種為根據本發(fā)明第三方面的以腿行走機器人所提供的運動控制方法，在至少有一個轉動關節(jié)(可以有至少兩個自由度)的機器人中，為了在與外部世界或工作對象的開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式之間執(zhí)行高速轉換操作，每條肢(limb)設有最低要求的被動自由度(如減速器的間隙)，以便除去動態(tài)閉合誤差，而這條肢(limb)的可動范圍也是適當控制的。
在提供被動自由度的步驟中，動態(tài)閉合誤差可通過調整相應關節(jié)的比例增益除去。
另外，當以腿行走的機器人是有左右兩腿的機器人時，在提供被動自由度的步驟中，相應關節(jié)的比例增益要這樣調整，以致左右兩條可動腿有彼此基本相同的被動自由度。因此，機器人身體有一種基本對稱的特征，進而使姿態(tài)穩(wěn)定控制容易實現(xiàn)。
再者，在提供被動自由度的步驟中，相應關節(jié)的比例增益最好這樣調整，以致一條肢(limb)較靠近這條肢(limb)遠端的一個關節(jié)有較大的被動自由度。
例如，當可動腿有至少圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸、髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度時，在提供被動自由度的步驟中，相應關節(jié)的比例增益最好這樣調整，以致髖關節(jié)滾動軸的可動范圍小于踝關節(jié)滾動軸的可動范圍。因此，可降低在對應閑置腿著地時對應連接的波動所引起的干擾，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)，進而防止對應腳底的突然滑動或分離。
另外，在提供被動自由度的步驟中，相應關節(jié)的比例增益可以這樣調整，以致當除去對應閑置腿著地時所產生的動態(tài)閉合誤差時所出現(xiàn)的對應連接的波動，以下述次序被控制腳＞下股骨＞上股骨。因此，可降低在對應閑置腿著地時對應連接的波動所引起的干擾，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)，進而防止對應腳底的突然滑動或分離。
再者，為了維持對機器人身體的一種ZMP姿態(tài)穩(wěn)定控制，在提供被動自由度的步驟中，可以對每個自由度上整條肢(limb)被動自由度的總和加以控制。
本發(fā)明的其它目標、特點和優(yōu)點將在詳細說明中顯現(xiàn)，而這將在后面根據本發(fā)明的實施例和附圖加以描述。


圖1是根據本發(fā)明實施例的以腿行走機器人100的透視前視圖。
圖2是根據本發(fā)明實施例的以腿行走機器人100的透視后視圖。
圖3是為根據本發(fā)明實施例的以腿行走機器人100所配備的自由度配置模型的示意圖。
圖4是根據本發(fā)明實施例的以腿行走機器人100的控制系統(tǒng)配置模型的示意圖。
圖5說明雙腿行走機器人腿動時的動態(tài)閉合誤差。
圖6是說明商業(yè)上所生產的機器人間隙與性能之間關系的示意曲線。
圖7是說明通過位置伺服補償所調整的間隙與性能之間關系的示意曲線。
圖8說明用于控制圖7所示性能的位置伺服補償器的具體配置。
圖9是說明比例增益與抑制比之間關系的曲線。
圖10是說明在使死區(qū)達到最小時通過非線性位置伺服補償所調整的間隙與性能之間關系的示意曲線。
圖11說明用于控制圖10所示性能的非線性位置伺服補償器的具體配置。
圖12是說明通過非線性位置伺服補償，以致通過有意加寬死區(qū)，在作動器滾動軸轉到一定角度范圍以外時，提供一種實際性能，所調整的間隙與性能之間關系的示意曲線。
圖13說明用于控制圖12所示性能的非線性位置伺服補償器的具體配置。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例將參照附圖詳加說明。
圖1和圖2分別是根據本發(fā)明實施例的以腿行走機器人100的透視前視圖和透視后視圖。另外，圖3示意地說明為這個以腿行走機器人100所配備的關節(jié)自由度的結構。
如圖3所示，以腿行走機器人100有一種多肢結構，上肢包括兩個手臂和頭1，下肢包括實現(xiàn)移位動作的兩腿，以及連接上肢和下肢的軀干。
支撐頭1的頸關節(jié)有3個自由度即頸關節(jié)偏轉軸2、頸關節(jié)俯仰軸3和頸關節(jié)滾動軸4。
每個手臂有肩關節(jié)俯仰軸8、肩關節(jié)滾動軸9、上臂偏轉軸10、肘關節(jié)俯仰軸11、前臂偏轉軸12、腕關節(jié)俯仰軸13、腕關節(jié)滾動軸14和手15。實際上，手15有一種包括多個手指的多關節(jié)、多自由度的結構。不過，在這個說明中假定，手15有零自由度，因為手15的動作對以腿行走機器人100的姿態(tài)控制和行走控制幾乎沒有影響。也就是說，每個手臂有7個自由度。
軀干有3個自由度即軀干俯仰軸5、軀干滾動軸6和軀干偏轉軸7。
構成下肢的每條腿有髖關節(jié)偏轉軸16、髖關節(jié)俯仰軸17、髖關節(jié)滾動軸18、膝關節(jié)俯仰軸19、踝關節(jié)俯仰軸20、踝關節(jié)滾動軸21和腳22。在這個說明中，髖關節(jié)俯仰軸17與髖關節(jié)滾動軸18之間的交叉點定義根據本實施例的以腿行走機器人100的髖關節(jié)的位置。雖然人腳22實際上有一種包括有多關節(jié)、多自由度的腳底的結構，但假定根據本實施例的以腿行走機器人100的腳底有零自由度。也就是說，每條腿有6個自由度。
因此，總起來說，根據本實施例的以腿行走機器人100共有32(＝3+7×2+3+6×2)個自由度。不過，用于娛樂的以腿行走機器人100不總限于有32個自由度。本領域人士會知道，自由度數(shù)或關節(jié)數(shù)完全可以根據設計和制造的限制、特殊需要或其它加以改變。
前述以腿行走機器人100的每個自由度實際上是利用一個作動器實現(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其中不穩(wěn)定雙腿行走結構執(zhí)行姿態(tài)控制，小而輕的作動器是更可取的。在本實施例中，一個直接連在一個齒輪上、并嵌入一個單芯片伺服系統(tǒng)的小AC伺服作動器被安裝。這種伺服作動器已被公開，例如在日本的已經轉讓給同一受讓人的未經審查的專利出版物No.2000-299970(Japanese Patent ApplicationH11-33386)上。
圖4是示意說明以腿行走機器人100的控制系統(tǒng)的配置。如圖所示，以腿行走機器人100有機械單元30、40、50R/L、60R/L，每個單元代表對應的人體四肢之一，還有為在這些機械單元中實現(xiàn)協(xié)調動作的執(zhí)行適應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對以腿行走機器人100的總體動作執(zhí)行集中控制?？刂茊卧?0有一個包括CPU(中央處理元件)和存儲器之類主要電路組件(未顯示)的主控制單元81，還包括一個外圍電路82，其中包括一個為從一個供電線路(未顯示)和以腿行走機器人100的每個組件發(fā)送和接收數(shù)據和命令的界面(未顯示)。
在實現(xiàn)本發(fā)明時，對控制單元80的安裝位置無限制?？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器人100以外，通過有線或無線的方法與以腿行走機器人100的身體進行通訊聯(lián)系。
示于圖3中的以腿行走機器人100的每個關節(jié)自由度通過相應作動器實現(xiàn)。換句話說，頭單元30有為分別代表頸關節(jié)偏轉軸2、頸關節(jié)俯仰軸3和頸關節(jié)滾動軸4而在其中設置的頸關節(jié)偏轉軸作動器A2、頸關節(jié)俯仰軸作動器A3和頸關節(jié)滾動軸作動器A4。
軀干單元40有為分別代表軀干俯仰軸5、軀干滾動軸6和軀干偏轉軸7而在其中設置的軀干俯仰軸作動器A5、軀干滾動軸作動器A6和軀干偏轉軸作動器A7。
手臂單元50R/L分成上臂單元51R/L、肘關節(jié)單元52R/L和前臂單元53R/L。每個手臂單元50R/L有為分別代表肩關節(jié)俯仰軸8、肩關節(jié)滾動軸9、上臂偏轉軸10、肘關節(jié)俯仰軸11、肘關節(jié)滾動軸12、腕關節(jié)俯仰軸13、腕關節(jié)滾動軸14而在其中設置的肩關節(jié)俯仰軸作動器A8、肩關節(jié)滾動軸作動器A9、上臂偏轉軸作動器A10、肘關節(jié)俯仰軸作動器A11、前臂偏轉軸作動器A12、腕關節(jié)俯仰軸作動器A13、腕關節(jié)滾動軸作動器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。每個腿單元60R/L有為分別代表髖關節(jié)偏轉軸16、髖關節(jié)俯仰軸17、髖關節(jié)滾動軸18、膝關節(jié)俯仰軸19、踝關節(jié)俯仰軸20、踝關節(jié)滾動軸21而在其中設置的髖關節(jié)偏轉軸作動器A16、髖關節(jié)俯仰軸作動器A17、髖關節(jié)滾動軸作動器A18、膝關節(jié)俯仰軸作動器A19、踝關節(jié)俯仰軸作動器A20、踝關節(jié)滾動軸作動器A21。
用于相應關節(jié)的作動器A2、A3......的每一個最好為前述直接連在一個齒輪上、并嵌入一個單芯片伺服系統(tǒng)的小AC伺服作動器。
頭單元30、軀干單元40、手臂單元50和腿單元60有為驅動其中安置的對應作動器的子控制器35、45、55和65。軀干單元40有用于分別探測腿的腳底60R和60L著地而在其中安裝的著地探測傳感器91和92，還在其中設有測定姿態(tài)的姿態(tài)傳感器93。
每個著地傳感器91和92由裝在腳底的接近傳感器、微型開關或其它類似物構成。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成。
著地傳感器91和92的輸出用于確定作行走或跑動之類動作時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回應傳感器91到93的輸出動態(tài)地修正控制目標。更具體地說，主控制器80可有適應性地控制子傳感器35、45、55和65中的每一個，進而實現(xiàn)一種由以腿行走機器人100的上肢、軀干和下肢協(xié)調驅動的全身動作樣式。
在主控制器81設定腳動作、零力矩點(ZMP)軌跡、軀干動作、上肢動作、腰高等，并傳輸一個指示一個對應上述設定的動作的命令到子控制器35、45、55、65的每一個時，機器人100的全身動作被實現(xiàn)。這里，“ZMP”意味著行走時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器人100如上述行走時ZMP的移動軌跡。子控制器35、45、55和65解釋從主控制器81收到的對應命令，并輸出驅動控制信號到對應的作動器A2、A3......。另外，主控制器81還輸出用于調整對應的作動器A2、A3......的比例增益K的控制信號，實現(xiàn)對應的關節(jié)自由度。在對應的子控制器35、45、55和65調整對應的作動器A2、A3......的比例增益時，與各個間隙對應的被動自由度可被改變(如下面將說明的)。
根據本實施例的以腿行走機器人100基本上具有一種由轉動關節(jié)構成的多“肢”結構，它的身體在與外部世界或工作對象的閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式間執(zhí)行一種高速轉換操作，以實現(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)系模式間進行轉換操作時，預期值與實際值之間的差引起與外部世界或工作對象的問題，如“分離”、“碰撞”或其它。
例如，這種差引起意味著預期腳趾著地而沒有著地的“分離”，或引起意味著比預期的早先著地的“碰撞”。這種分離和碰撞對以腿行走機器人的身體的姿態(tài)穩(wěn)定控制有很大影響。
考慮到上述背景，根據本實施例的以腿行走機器人100要這樣被安排，以致每個肢有用于除去動態(tài)閉合誤差的最低要求的被動自由度，而且肢的可動范圍適當控制。因此，甚至在用于驅動相應關節(jié)的作動器沒有辦法獲得扭力矩信號時，閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式間的高速轉換操作也可穩(wěn)定實現(xiàn)。
為了實現(xiàn)根據本實施例的以腿行走機器人100，每條腿有下述6個自由度(參見圖3)髖關節(jié)偏轉軸(TH_Y)髖關節(jié)滾動軸(TH_R)髖關節(jié)俯仰軸(TH_P)
膝關節(jié)俯仰軸(KN_P)踝關節(jié)俯仰軸(AK_P)踝關節(jié)滾動軸(AK_R)每條腿有配置在身體髖部的髖關節(jié)偏轉軸(TH_Y)和對應平腳上的踝關節(jié)。在本實施例中，為了使對雙腿行走機器人100的姿態(tài)穩(wěn)定控制容易進行，要對實現(xiàn)相應關節(jié)上述6個自由度和間隙的作動器的輸出加以優(yōu)化。
為了進行優(yōu)化，對這6個關節(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.圍繞髖關節(jié)滾動軸的間隙ΔTH_R2.圍繞踝關節(jié)滾動軸的間隙ΔAK_R3.圍繞髖關節(jié)俯仰軸的間隙ΔTH_P4.圍繞膝關節(jié)俯仰軸的間隙ΔKN_P5.圍繞踝關節(jié)俯仰軸的間隙ΔAK_P6.圍繞髖關節(jié)偏轉軸的間隙ΔTH_Y條件1ΔTH_R＜ΔAK_R＜ΔTH_P＜ΔKN_P＜ΔAK_P＜ΔTH_Y在以腿行走機器人100如圖1到3所示呈兩側對稱時，應當理解為上述關節(jié)的先后次序同樣適用于左右兩腿。另外，從使姿態(tài)穩(wěn)定控制容易進行的觀點看，左右兩腿的相應關節(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，這兩條兩側對稱的腿由下述關系式確定。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計或另一種約束而被滿足時，一個肢(Limb)每個自由度的間隙總和受到了控制。更具體地說，通過設定下述表達式以致使其被滿足，基本上可實現(xiàn)同樣有利的結果。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，在本實施例中，通過設定相應關節(jié)的間隙分配以致滿足條件1到3之一，可以優(yōu)化以腿行走機器人100的身體設計。
通過如上述優(yōu)化腿的相應關節(jié)的間隙的分配，可使對以雙腿行走機器人100的姿態(tài)穩(wěn)定控制容易進行。
用優(yōu)化以腿行走機器人100的身體設計以便滿足條件1到3之一的第一種方法，可測定和篩選安裝在構成每個關節(jié)的作動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器則被配置給相應關節(jié)，以便制成機器人身體。
用優(yōu)化以腿行走機器人100的身體設計的第二種方法，可調整與具有統(tǒng)一間隙的減速器相連的作動器的伺服控制器的增益，以便滿足條件1到3之一。
用優(yōu)化以腿行走機器人100的第一種方法，每條腿有為除去動態(tài)閉合誤差的最低要求的被動自由度，而且每個自由度的可動范圍完全受到控制。如圖5所示，術語“閉合點”在此是指閑置腿的一個接觸點，兩條腿通過此點相連在閑置腿著地時與地板面形成一種幾何上的閉合狀態(tài)。另外，術語“動態(tài)閉合誤差”是指一個閉合件相對于閉合點(閉合面)在目標姿態(tài)與實際姿態(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，被動自由度主要通過使用減速器的間隙實現(xiàn)。換句話說，通過完全控制與用于驅動腿的相應關節(jié)的作動器相連的減速器的間隙，甚至在用于驅動關節(jié)的作動器沒有辦法獲得扭力矩信號時，也能穩(wěn)定實現(xiàn)開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式間的高速轉換操作。
根據第一種方法，因為腿的特征可由實際間隙確定，所以總可得到適合于前饋行走的腿的特征。
根據優(yōu)化以腿行走機器人100的第一種方法的基本原理，當一個肢的一個關節(jié)較靠近這個肢的遠端安置時，這個關節(jié)有較大的間隙，而這個肢每個自由度的間隙的和受到控制。
用這種安排，對通過除去比如說在對應閑置腿著地時產生的動態(tài)閉合誤差所引起的對應連接的波動，可以以下述次序加以控制腳＞下股骨＞上股骨。因此，由對應閑置腿著地時對應連接的波動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)，進而防止對應腳底的突然滑動和分離。
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節(jié)＞膝關節(jié)＞踝關節(jié)，亦即本發(fā)明次序的反次序。
在這種情況下，因為髖關節(jié)有大間隙，所以閑置腿腳底相對于它的“位置和姿態(tài)”的偏離變得較大，進而導致在轉換站立模式時ZMP控制精度惡化。另外，因為對應閑置腿著地時腿頂部的間隙小，所以對應連接的波動可用“上股骨＝下股骨＝腳”來近似表達。因此，由對應閑置腿著地時對應連接的波動所引起的干擾增大，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器處產生，進而對應腳底可能會突然發(fā)生分離(最終身體可能跌倒)。
圖5說明雙腿行走機器人100腿動時的動態(tài)閉合誤差。動態(tài)閉合誤差是身體的實際姿態(tài)對目標姿態(tài)的偏離，可用隨時間變化的距離誤差和角度誤差表達。動態(tài)閉合誤差本身可被消除。
優(yōu)化以腿行走機器人100的第一種方法，其中，當一個肢的一個關節(jié)較靠近這個肢的遠端安置時，這個關節(jié)有較大的間隙，而這個肢每個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，控制一個肢每個自由度的間隙的和的同時，當一個肢的一個關節(jié)較靠近這個肢的遠端安置時，這個關節(jié)有較大的間隙。與上述情況相反，在一個肢的一個關節(jié)比這個關節(jié)較靠近這個肢的底部安置有較大間隙時，全肢在從開放聯(lián)系模式到閉合聯(lián)系模式的轉換期間所產生的波動增大，進而導致處理主動控制(handling activation control)和ZMP控制的精度惡化。
圍繞每個肢的滾動軸和俯仰軸的總間隙的目標值如下0.15度＜圍繞滾動軸的總間隙(γ)＜0.40度0.30度＜圍繞俯仰軸的總間隙(δ)＜0.80度優(yōu)化以腿行走機器人100的第一種方法有一個利用與相應關節(jié)作動器連接的減速器的間隙的變化的問題。所以，在商業(yè)生產以腿行走機器人的關節(jié)作動器，因而實現(xiàn)生產間隙在一定變化范圍的變化的減速器時，很難說以其測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)生產的機器人間隙與性能之間的關系。通過按所希望的調整每個關節(jié)軸的位置伺服補償器的開放環(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)點相似的優(yōu)點。
圖7說明用線性位置伺服補償調整的間隙與性能之間的關系。另外，圖8說明用于控制圖7所示性能的一種位置伺服補償器的具體配置。
通過調整圖8所示位置伺服系統(tǒng)的比例增益K(系列補償增益)，可實現(xiàn)優(yōu)化以腿行走機器人100的第二種方法。
假定商業(yè)生產的減速器的平均間隙比如說是0.3度，當比例增益K等于2.0時，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)路增益的頻率響應特征在f≤1Hz時有一個+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。
當在一個9度的目標角以相當于1Hz頻率的速度輸入時，這個增益差引起0.285度的位置變化，因為抑制比在比例增益K為2.0時是+30dB。應當注意的是，由于間隙是0.3度，這種變化實際上不在這個間隙值內。
同時，在比例增益K減小到1.8時，由于抑制比變成-29dB，所以位置偏離變成0.32度。這相當于間隙實際增加0.02度。
圖9說明比例增益與抑制比的關系。
通過把上述操作用于腿的每個關節(jié)軸，腿可獲得優(yōu)化的性能。因為這種操作可用于任何關節(jié)軸的作動器，所以可以說，這是設計由商業(yè)生產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償調整的間隙與性能之間的關系。在圖10所示的例子中，間隙是在使死區(qū)最小時調整的。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償器的具體配置。
圖12說明用非線性位置伺服補償調整的間隙與性能之間的關系。在圖12所示的例子中，間隙通過有意加寬死區(qū)來調整，以便在作動器的滾動軸轉出一定角度范圍時，提供一種實用性能。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償器的具體配置。
以腿行走機器人100，通過滾動軸和俯仰軸的組合，軀干、髖關節(jié)、踝關節(jié)等的每個關節(jié)都各有關節(jié)自由度。本發(fā)明人等建議，機器人身體要這樣設計，以致對于它們的共同關節(jié)來說，圍繞俯仰軸的間隙ΔP大于圍繞滾動軸的間隙ΔR(即ΔP＞ΔR)。在向前直線行走的情況被考慮時，雙腿行走的機器人，因為沒有側滑動作卷入，以滾動動作和側滑動作為主，所以機器人在X方向比在Y方向有更寬的穩(wěn)定區(qū)，進而導致這樣的結論ΔP＞ΔR。
在偏轉軸像圖3所示身體的關節(jié)自由度結構一樣安置在腿的底部時，甚至在例如轉彎時出現(xiàn)側滑動作時，這種側滑動作也不干擾平腳在腿坐標系中(髖關節(jié)是其中的原點)的俯仰或滾動動作。也就是說，偏轉軸間隙ΔY所引起的平腳姿態(tài)偏斜只影響偏轉軸角度，在實際穩(wěn)定區(qū)充分大于這種偏斜時，可忽略不計。
另一方面，在偏轉軸安置在上股骨或下股骨時，偏轉軸間隙ΔY干擾平腳在腿坐標系中(髖關節(jié)是其中的原點)的俯仰或滾動動作。在這種情況下，控制偏轉軸間隙ΔY顯得越來越重要。
根據上述技術背景，以腿行走機器人相應關節(jié)的間隙分配可概括如下。
(1)基于ZMP控制觀點的表達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)＝預設ZMP(ZMPX，ZMPY，ZMPZ)+ΔZMP(ΔZMPX，ΔZMPY，ΔZMPZ)≤S(SX，SY，SZ)t時間預設ZMP(ZMPX，ZMPY，ZMPZ)ZMP目標位置(X方向目標位置，Y方向目標位置，Z方向目標位置)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)根據目標值和對應自由度的差計算實際ZMP位置的函數(shù)Pi圍繞第i個俯仰軸的自由度的角度目標值 圍繞第i個俯仰軸的自由度的角速度目標值 圍繞第i個俯仰軸的自由度的角加速度目標值ΔPi起因于圍繞第i個俯仰軸的自由度的間隙對角度目標值的偏離 起因于圍繞笫i個俯仰軸的自由度的間隙對角速度目標值的偏離 起因于圍繞第i個俯仰軸的自由度的間隙對角加速度目標值的偏離Ri圍繞第i個滾動軸的自由度的角度目標值 圍繞第i個滾動軸的自由度的角速度目標值 圍繞第i個滾動軸的自由度的角加速度目標值ΔRi起因于圍繞第i個滾動軸的自由度的間隙對角度目標值的偏離 起因于圍繞第i個滾動軸的自由度的間隙對角速度目標值的偏離 起因于圍繞第i個滾動軸的自由度的間隙對角加速度目標值的偏離Yi圍繞第i個偏轉軸的自由度的角度目標值 圍繞第i個偏轉軸的自由度的角速度目標值 圍繞第i個偏轉軸的自由度的角加速度目標值ΔYi起因于圍繞第i個偏轉軸的自由度的間隙對角度目標值的偏離 起因于圍繞第i個偏轉軸的自由度的間隙對角速度目標值的偏離 起因于圍繞第i個偏轉軸的自由度的間隙對角加速度目標值的偏離(2)基于動態(tài)閉合誤差觀點的表達|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，)根據對應目標值計算動態(tài)閉合誤差的函數(shù)ΔC(ΔCX，ΔCY，ΔCZ，ΔCp，ΔCr，ΔCy)動態(tài)閉合誤差的最大值ΔCXX方向動態(tài)閉合誤差ΔCYY方向動態(tài)閉合誤差ΔCZZ方向動態(tài)閉合誤差ΔCp圍繞俯仰軸動態(tài)閉合誤差ΔCr圍繞滾動軸動態(tài)閉合誤差ΔCy圍繞偏轉軸動態(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，每個關節(jié)間隙范圍根據上述表達式(1)和(2)確定。附錄雖然已參照附圖對本發(fā)明作了詳細說明，但本領域人士顯然會在不背離本發(fā)明精神的情況下對上述實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器人的產品。也就是說，本發(fā)明也適用于其它如玩具之類的工業(yè)領域，只要它們是執(zhí)行通過利用電或磁的效應模仿人類動作的動作的。
最后，這個說明中的描述不應以有限的方式來解釋，因為它是以示范的形式公開的。為了理解本發(fā)明的精神，應當看開頭所述權利要求。
工業(yè)適用性根據本發(fā)明，可提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機器人，這種機器人，通過轉換其站立模式，例如通過交替用一條或左右兩條可動腿站立，可穩(wěn)定而準確地執(zhí)行腿動操作，同時，還為這種機器人提供一種優(yōu)秀的運動控制方法。
另外，根據本發(fā)明，可提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機器人，這種機器人，在它從開放聯(lián)系機制到閉合聯(lián)系機制改變其與地板、墻壁或其它的聯(lián)系機制時，例如在它從單腿站立模式到雙腿站立模式轉換其站立模式時，可根據預期值與實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，還為這種機器人提供一種優(yōu)秀的運動控制方法。
再者，根據本發(fā)明，可提供一種優(yōu)秀的以腿行走的機器人，這種機器人可在與外部世界或工作對象的開放聯(lián)系模式與閉合聯(lián)系模式之間執(zhí)行高速轉換操作，而不失去其身體的姿態(tài)穩(wěn)定性，同時，還為這種機器人提供一種優(yōu)秀的運動控制方法。
權利要求
1.一種以腿行走的機器人至少包括可動腿，其中，每條可動腿有多個關節(jié)自由度和被動自由度，并對相應關節(jié)提供一種先后次序，以便除去動態(tài)閉合誤差。
2.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，可動腿是左右可動腿，左右可動腿彼此有基本相同的自由度。
3.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，每個關節(jié)自由度由連接有減速器的作動器實現(xiàn)，每個關節(jié)的被動自由度由與作動器連接的減速器的間隙實現(xiàn)。
4.如權利要求3的以腿行走的機器人，其中，一個肢的一個較靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比這一肢的另一個關節(jié)有較大的間隙。
5.如權利要求3的以腿行走的機器人，其中，一個肢的一個較靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比這一肢的另一個關節(jié)在圍繞滾動軸的自由度上有較大的間隙。
6.如權利要求3的以腿行走的機器人，其中，一個肢的一個較靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比這一肢的另一個關節(jié)在圍繞俯仰軸的自由度上有較大的間隙。
7.如權利要求3的以腿行走的機器人，其中，一個肢的一個最靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比這一肢的另一個最靠近這個肢底部安置的關節(jié)有較大的間隙。
8.如權利要求3的以腿行走的機器人，其中，一個肢的一個最靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比這一肢的另一個最靠近這個肢底部安置的關節(jié)在圍繞滾動軸的自由度上有較大的間隙。
9.如權利要求3的以腿行走的機器人，其中，一個肢的一個最靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比這一肢的另一個最靠近這個肢底部安置的關節(jié)在圍繞俯仰軸的自由度上有較大的間隙。
10.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸的間隙依這種次序變小。
11.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，圍繞相應髖關節(jié)滾動軸的間隙小于圍繞踝關節(jié)滾動軸的間隙。
12.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，圍繞相應髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸的間隙依這種次序變小。
13.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，圍繞相應髖關節(jié)俯仰軸的間隙小于圍繞踝關節(jié)俯仰軸的間隙。
14.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，圍繞相應髖關節(jié)俯仰軸的間隙小于圍繞膝關節(jié)俯仰軸的間隙。
15.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，圍繞對膝關節(jié)俯仰軸的間隙小于圍繞踝關節(jié)俯仰軸的間隙。
16.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，對應連接的波動，在除去相應閑置腿著地時所產生的動態(tài)閉合誤差時出現(xiàn)，以下述次序加以控制腳＞下股骨＞上股骨。
17.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，全肢在每個自由度上的間隙和被控制。
18.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，一個下肢圍繞滾動軸的間隙和在0.05-2.0度范圍內。
19.如權利要求1的以腿行走的機器人，其中，一個下肢圍繞俯仰軸的間隙和在0.10-4.0度范圍內。
20.一種機器人裝置至少有一個具有至少圍繞滾動軸和俯仰軸的自由度的關節(jié)，其中，這個關節(jié)有滾動軸間隙ΔR和俯仰軸間隙ΔP，這些間隙滿足下述條件ΔR＞ΔP。
21.如權利要求20的機器人裝置，其中，俯仰軸間隙ΔP至少是滾動軸間隙ΔR的1.5倍。
22.一種用于一種包括至少可動腿，而每條可動腿有多個由位置伺服控制確定的關節(jié)自由度的以腿行走的機器人的運動控制方法，包括為除去相應關節(jié)的動態(tài)閉合誤差向這個相應關節(jié)提供被動自由度的步驟。
23.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，動態(tài)閉合誤差通過調整相應關節(jié)的比例增益除去。
24.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，可動腿是左右可動腿，和其中，在提供被動自由度的步驟中，相應關節(jié)的比例增益這樣調整，以致左右可動腿基本上有彼此相同的被動自由度。
25.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，用于驅動相應關節(jié)的作動器的比例增益或非比例增益這樣調整，以致一個肢的一個較靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比這一肢的另一個關節(jié)有較大的被動自由度。
26.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，用于驅動相應關節(jié)的作動器的比例增益這樣調整，以致一個肢的一個較靠近這個肢開放-閉合模式轉換部分安置的關節(jié)比這一肢的另一個關節(jié)有較大的被動自由度。
27.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，用于驅動相應關節(jié)自由度的作動器的比例增益這樣調整，以致一個肢的一個較靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比這一肢的另一個關節(jié)有較大的圍繞滾動軸的被動自由度。
28.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，用于驅動相應關節(jié)自由度的作動器的比例增益這樣調整，以致一個肢的一個較靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比這一肢的另一個關節(jié)有較大的圍繞俯仰軸的被動自由度。
29.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，用于驅動相應關節(jié)自由度的作動器的比例增益這樣調整，以致一個肢的一個最靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比另一個最靠近這個肢底部安置的關節(jié)有較大的被動自由度。
30.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，用于驅動相應關節(jié)自由度的作動器的比例增益或非比例增益這樣調整，以致一個肢的一個最靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比另一個最靠近這個肢底部安置的關節(jié)有較大的圍繞滾動軸的被動自由度。
31.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，用于驅動相應關節(jié)自由度的作動器的比例增益或非比例增益這樣調整，以致一個肢的一個最靠近這個肢遠端安置的關節(jié)比另一個最靠近這個肢底部安置的關節(jié)有較大的圍繞俯仰軸的被動自由度。
32.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，在提供被動自由度的步驟中，相應關節(jié)的比例增益或非比例增益這樣調整，以致圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸的被動自由度依這種次序變小。
33.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，在提供被動自由度的步驟中，在開-閉模式轉換期間，即腿從它的站立模式到它的閑置模式轉換它的站立模式時，相應關節(jié)的比例增益或非比例增益這樣調整，以致圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸的被動自由度依這種次序變小。
34.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，在提供被動自由度的步驟中，相應關節(jié)的比例增益這樣調整，以致髖關節(jié)滾動軸的可動范圍小于踝關節(jié)滾動軸的可動范圍。
35.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，可動腿至少有圍繞相應髖關節(jié)滾動軸、踝關節(jié)滾動軸、髖關節(jié)俯仰軸、膝關節(jié)俯仰軸、踝關節(jié)俯仰軸和髖關節(jié)偏轉軸的關節(jié)自由度，和其中，在提供被動自由度的步驟中，相應關節(jié)的比例增益這樣調整，以致髖關節(jié)俯仰軸的可動范圍小于踝關節(jié)俯仰軸的可動范圍。
36.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，相應關節(jié)的比例增益這樣調整，以致對應連接的波動，在除去對應閑置腿著地時所產生的動態(tài)閉合誤差時出現(xiàn)，以下述次序加以控制腳＞下股骨＞上股骨。
37.如權利要求21的用于以腿行走機器人的運動控制方法，其中，在提供被動自由度的步驟中，對全肢在每個自由度上的被動自由度的和可加以控制。
全文摘要
在至少有一個轉動關節(jié)(至少有兩個自由度)的機器人中，為了執(zhí)行在與外部世界或工作對象的閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式之間的高速轉換操作，每一肢設有為除去動態(tài)閉合誤差的最低要求的被動自由度(如減速器的間隙)，并且對這一肢的可動范圍進行適當控制。甚至在用于驅動相應關節(jié)的作動器沒有辦法獲得扭力矩信號時，也可穩(wěn)定實現(xiàn)在閉合聯(lián)系模式與開放聯(lián)系模式之間的高速轉換操作。
文檔編號B62D57/00GK1476372SQ02803088
公開日2004年2月18日 申請日期2002年8月1日 優(yōu)先權日2001年8月1日
發(fā)明者森直人, 入部正繼, 山口仁一, 一, 繼 申請人:索尼公司, 山口仁一