專利名稱：腿式移動機(jī)器人、控制機(jī)器人的方法、機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)、和機(jī)器人的可移動腿部單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及至少含有數(shù)只可移動腿的腿式移動機(jī)器人、尤其涉及利用可移動腿進(jìn)行行走操作和其它用腿操作的腿式移動機(jī)器人。
更具體地說，本發(fā)明涉及在用腿操作期間，利用所謂的ZMP(零力矩點(diǎn))作為穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則，進(jìn)行身體姿勢控制的腿式移動機(jī)器人，并且還涉及利用采樣間隔相對長的ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則，進(jìn)行姿勢控制的腿式移動機(jī)器人。
背景技術(shù)：
借助于磁效應(yīng)移動，模仿人的行為的機(jī)器被稱為“機(jī)器人(robot)”。據(jù)說“機(jī)器人”這個術(shù)語來源于斯拉夫語(Slavic)中的單詞“Robota(奴隸機(jī)器)”。在日本，機(jī)器人從六十年代開始就得到廣泛應(yīng)用，這些機(jī)器人大多數(shù)是為了使工廠中生產(chǎn)線自動化或?yàn)榱擞迷跓o人化工廠中而設(shè)計的工業(yè)機(jī)器人，諸如機(jī)械手和輸送機(jī)器人。
近年來，在模仿像人和類人猿那樣，雙腿行走的生物的身體機(jī)理和運(yùn)動的腿式移動機(jī)器人方面的研究和開發(fā)已經(jīng)取得進(jìn)展，這些機(jī)器人的商品化指日可待。腿式移動機(jī)器人不穩(wěn)定，在姿勢控制和腿式控制方面，與爬行機(jī)器人、四足機(jī)器人、和六足機(jī)器人相比顯得更加困難。但是，腿式移動機(jī)器人的卓越之處在于，腿式移動機(jī)器人可在，例如，存在不規(guī)則表面和障礙物的崎嶇不平行走表面、或諸如樓梯或臺階之類的不連續(xù)行走表面上靈活移動。
模仿人的身體機(jī)理和運(yùn)動的腿式移動機(jī)器人被稱為“人形化”或“人型”機(jī)器人(類人機(jī)器人)。類人機(jī)器人可以幫助人們處理在生活環(huán)境內(nèi)的日常事務(wù)和各種人的活動。
人的工作空間和生活空間是根據(jù)雙腿行走人類的身體機(jī)理和行為模式?jīng)Q定的。換句話說，帶有輪子或其它驅(qū)動裝置的當(dāng)前可用機(jī)械系統(tǒng)，作為運(yùn)輸工具，必須克服存在于人類生活空間中的各種障礙物。對于像機(jī)器人那樣，幫助人們從事各種人類活動和滲透到生活環(huán)境中的各個角落的機(jī)械系統(tǒng)來說，機(jī)器人的工作范圍更適宜與人的工作范圍保持基本相同。正是這個原因，人們期待著雙腿腿式移動機(jī)器人商品化。雙腿行走能力是提高機(jī)器人與人類生活環(huán)境的親密性的基本要求。
涉及到雙腿腿式移動機(jī)器人的姿勢控制和穩(wěn)定行走的許多技術(shù)已經(jīng)提出來了。穩(wěn)定“行走”可以定義為“用腳走來走去而不會跌倒”。機(jī)器人的姿勢控制對于機(jī)器人在行動期間避免跌倒是重要的。跌倒意味著機(jī)器人活動中斷了，需要作出很大的努力和花費(fèi)許多時間才能從跌倒的狀態(tài)站立起來，重新開始活動。存在著機(jī)器人本身受到損壞和機(jī)器人跌倒時撞到的物品可能受到嚴(yán)重毀壞的風(fēng)險。在設(shè)計和開發(fā)腿式移動機(jī)器人的過程中，在行走期間有關(guān)穩(wěn)定姿勢的姿勢控制和跌倒預(yù)防是最重要的課題。
涉及到在行走期間機(jī)器人姿勢控制和機(jī)器人跌倒預(yù)防的許多建議都利用ZMP(零力矩點(diǎn))作為行走穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則。ZMP的穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則是基于“達(dá)朗伯(D′Alembert)原理”的，根據(jù)達(dá)朗伯原理，行走系統(tǒng)作用在行走表面上的重力和慣性力矩與行走表面反作用在行走系統(tǒng)上的地板反用作力和地板反作用力矩保持平衡。從動力學(xué)角度來考慮，沿著在腳底接觸點(diǎn)與行走表面之間形成的支承多邊形(即，穩(wěn)定ZMP區(qū)域)的邊或在支承多邊形內(nèi)存在俯仰軸力矩和搖晃軸力矩變成零的點(diǎn)“ZMP(零力矩點(diǎn))”。
總之，ZMP準(zhǔn)則指的是如下規(guī)則，“在行走的任何瞬間，由腳和行走表面形成的支承多邊形內(nèi)存在ZMP，如果機(jī)器人施加在行走表面上的力起作用，機(jī)器人就能穩(wěn)定地行走，而不會跌倒(沒有轉(zhuǎn)動)?！备鶕?jù)基于ZMP準(zhǔn)則的雙腿模式，事先設(shè)置腳底著地點(diǎn)，和考慮到行走表面的結(jié)構(gòu)，腳趾的運(yùn)動限制狀態(tài)就易于考慮了。由于ZMP用作穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則意味著在運(yùn)動控制中，把路線而不是把力當(dāng)作目標(biāo)來對待，因此，把ZMP用作穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則的技術(shù)可行性高。
Miomir Vukobratovic所著的書籍《腿式移動機(jī)器人》(“LEGGEDLOCOMOTION”)(由加藤一郎等人翻譯的《有腿機(jī)器人和人造腳》(日刊工業(yè)新聞社))描述了在腿式移動機(jī)器人的穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則中ZMP的概念和ZMP的應(yīng)用。
在把ZMP用作穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則的機(jī)器人的傳統(tǒng)典型姿勢控制和行走控制中，如果ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域，那么，控制ZMP位置，使其返回到穩(wěn)定區(qū)域。換句話說，在正常行動期間，ZMP與運(yùn)動無關(guān)。在出現(xiàn)動量超過預(yù)定極限的情況之后，作為回應(yīng)，通過控制，例如，腿的關(guān)節(jié)，控制ZMP位置。
日本專利申請公布平5-305579號公開的腿式移動機(jī)器人被設(shè)計成隨著地板上具有被設(shè)置成目標(biāo)值的零ZMP的點(diǎn)穩(wěn)定地行走。
在日本專利申請公布平5-305581號公開的腿式移動機(jī)器人中，ZMP位于支承多面體(多邊形)內(nèi)，或者，在落在地板上或從地板上抬起期間，ZMP位于不在支承多邊形的邊上的預(yù)定邊界內(nèi)。在這種情況下，即使存在干擾，ZMP也擁有預(yù)定邊界，在行走期間，機(jī)器人身體的穩(wěn)定性提高了。
日本專利申請公布平5-305583號公開了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置，控制腿式移動機(jī)器人的行走速度的控制方法。具體地說，利用預(yù)定行走模式數(shù)據(jù)，驅(qū)動腿關(guān)節(jié)，以便使ZMP與目標(biāo)位置一致，和檢測機(jī)器人上身的傾斜程度，根據(jù)檢測的上身傾斜程度，調(diào)整設(shè)定行走模式數(shù)據(jù)輸出速率。當(dāng)機(jī)器人由于踏上凹凸不平的未知行走表面而向前傾斜時，可以提高輸出速率，以便恢復(fù)機(jī)器人的姿勢。借助于被控制成目標(biāo)位置的ZMP，在雙支承階段可以毫無問題地調(diào)整輸出速率。
日本專利申請公布第5-305585號公開了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置，控制腿式移動機(jī)器人的著地位置的控制方法。具體地說，公開的腿式移動機(jī)器人檢測ZMP目標(biāo)位置與實(shí)際測量位置之間的誤差，驅(qū)動一只或兩只腳來消除這種誤差，或者，檢測有關(guān)ZMP目標(biāo)位置的力矩，然后，驅(qū)動這些腳，使力矩降為零。
日本專利申請公布第5-305586號公開了根據(jù)ZMP目標(biāo)位置，控制腿式移動機(jī)器人的傾斜姿勢的控制方法。具體地說，檢測有關(guān)ZMP目標(biāo)位置的力矩，當(dāng)存在力矩時，通過驅(qū)動腳部單元，直到力矩變?yōu)榱銥橹?，以達(dá)到穩(wěn)定行走。
上述機(jī)器人的體位控制方法是基于如下基本操作的，在這種基本操作中，在由可動腳的腳底的地接觸點(diǎn)和行走表面形成的多邊形，即穩(wěn)定ZMP區(qū)域內(nèi)，或沿著它的邊搜索俯仰軸力矩和搖晃軸力矩變成零的點(diǎn)。當(dāng)ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域時，進(jìn)行校正控制，使其返回到穩(wěn)定ZMP區(qū)域。
ZMP準(zhǔn)則只不過是在機(jī)器人的身體和行走表面在性質(zhì)上非常接近固體(具體地說，即使在任何力或力矩的作用下，仍然不會變形，也不會流動)的假設(shè)下可以使用的準(zhǔn)則。換句話說，當(dāng)機(jī)器人身體和行走表面在性質(zhì)上非常接近固體的假設(shè)不成立時，隨著機(jī)器人高速移動而作用在ZMP上的(平動)力和在支承腿的轉(zhuǎn)換點(diǎn)上的沖力都很大，機(jī)器人本身也受動量支配。如果不適當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)器人由施加在機(jī)器人上的力引起的動量，ZMP所在的空間就變得不穩(wěn)定。雖然機(jī)器人的姿勢滿腿了ZMP準(zhǔn)則(即，ZMP處在支承多邊形內(nèi)，和機(jī)器人把壓力施加在行走表面上)，但是，由于要使不穩(wěn)定ZMP變成穩(wěn)定的，機(jī)器人姿勢本身變得不穩(wěn)定了。隨著機(jī)器人的重心變低，機(jī)器人身體發(fā)生轉(zhuǎn)動，穩(wěn)定行走變得非常難以實(shí)現(xiàn)。
圖1和圖2分別顯示了機(jī)器人和行走表面在性質(zhì)上非常接近固體的理想模型，和當(dāng)機(jī)器人和行走表面實(shí)際上不是固體時，ZMP位置與機(jī)器人的動量之間的關(guān)系(也就是說，機(jī)器人的ZMP狀態(tài)空間)。
在機(jī)器人和行走表面在性質(zhì)上非常接近固體的理想情況下，在圖1所示的ZMP狀態(tài)空間內(nèi)，在計算的穩(wěn)定ZMP區(qū)域的任何ZMP位置中，在機(jī)器人身上不會產(chǎn)生動量。換句話說，機(jī)器人身體的穩(wěn)定姿勢在任何ZMP位置中都不會遭到破壞。
在實(shí)際系統(tǒng)的ZMP狀態(tài)空間中，機(jī)器人和行走表面不是固體的。即使在計算的穩(wěn)定ZMP區(qū)域內(nèi)，在機(jī)器人身上也會產(chǎn)生取決于ZMP位置的動量。在圖2所示的情況中，在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近，在機(jī)器人身上不會產(chǎn)生動量。在這種狀態(tài)下，機(jī)器人的穩(wěn)定姿勢不會遭到破壞。隨著ZMP位置向外離開穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，機(jī)器人的動量沿著負(fù)方向增加。
參照圖1和圖2，ZMP狀態(tài)空間通過ZMP位置和地板表面作用在機(jī)器人身體上的地板反作用力來定義。關(guān)于機(jī)器人動量的方向，負(fù)方向定義為使空間在某種程度上變形，致使ZMP位置朝著穩(wěn)定區(qū)域的邊緣移動的方向，和正方向定義為使空間在某種程度上變形，致使ZMP位置朝著穩(wěn)定區(qū)域的中心移動的方向。如圖2所示，隨著ZMP位置從穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心向外移動，機(jī)器人的動量沿著負(fù)方向增加。即使在穩(wěn)定ZMP區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人也會朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的邊緣移動，最后跌倒。
由于這個原因，即使計算結(jié)果顯示機(jī)器人的ZMP位置停留在穩(wěn)定ZMP區(qū)域內(nèi)，也必須不斷進(jìn)行姿勢控制，以便把ZMP位置移回到穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心。把ZMP位置不斷移回到中心的控制方法的典型例子是“逆向擺(inversependulum)”。在這種情況下，需要進(jìn)行高速控制(具體地說，系統(tǒng)的采樣間隔極短)，在計算機(jī)上進(jìn)行姿勢控制的工作量增加了。
ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則只不過是基于在理想環(huán)境下進(jìn)行行走的假設(shè)，以及在實(shí)際操作環(huán)境下不能實(shí)現(xiàn)的前提的準(zhǔn)則。為了使機(jī)器人能夠在人的生活環(huán)境下，以自主方式不斷行走，需要發(fā)明一種考慮到ZMP空間穩(wěn)定性的機(jī)器人系統(tǒng)配置。
腿式移動機(jī)器人在用腿作業(yè)期間的穩(wěn)定性和可控制性不僅受四肢的步態(tài)模式或運(yùn)動模式支配，而且受在上面進(jìn)行諸如行走之類的用腿作業(yè)的地面和行走表面的狀態(tài)的支配。這是因?yàn)椋灰獧C(jī)器人的腳與行走表面接觸，反作用力就不斷地作用于機(jī)器人。在諸如行走之類的用腿作業(yè)期間，來自行走表面的反作用力變成很大的沖力，尤其在抬起的腳落在地面上的時候。反作用力可以成為一種干擾，導(dǎo)致機(jī)器人不穩(wěn)定。
也就是說，為了讓雙腿行走機(jī)器人能夠進(jìn)行用腿作業(yè)，而不會破壞它的姿勢，機(jī)器人最好使它在著地那一瞬間保持的穩(wěn)定姿勢與地面相匹配，并且，在著地期間行走表面作用在機(jī)器人身上的反作用力最好盡可能地小。與地面接觸的腳底的結(jié)構(gòu)對于建立機(jī)器人與地面之間的良好關(guān)系極為重要。
為了吸收機(jī)器人在著地期間遭受來自地面的沖力，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都熟知，在腳底上使用彈性材料。
當(dāng)機(jī)器人在腳著地期間受到來自地面的反作用力時，機(jī)器人身體易遭受繞搖晃軸和俯仰軸的各種干擾。主要向前移動的腿式移動機(jī)器人在縱向具有寬廣的自由度，對沿著前向，即，繞俯仰軸的干擾作出反應(yīng)相對容易些。另一方面，腿式移動機(jī)器人對使機(jī)器人搖晃的、繞搖晃軸的干擾具有較弱的抗干擾能力。即使來自地面的沖力被腳底上的彈性材料均勻吸收，也只不過吸收了每根軸周圍的沖力。不能恢復(fù)在腳著地時或通過其它干擾已經(jīng)破壞了的機(jī)器人穩(wěn)定姿勢。盡管在著地那一瞬間的沖力被吸收掉了，但是機(jī)器人身體最終可能還是跌倒了。在這種情況下，在ZMP位置已經(jīng)偏離了穩(wěn)定ZMP區(qū)域之后校正ZMP的后控制易受到限制。
搜索ZMP意味著經(jīng)過雙腿腿式移動機(jī)器人中右腳和左腳兩者之間(即，每只腳的內(nèi)側(cè))的軌跡。更具體地說，當(dāng)由于機(jī)器人的移動，使ZMP軌跡移出一只腳之外時，如果機(jī)器人不踩在另一只腳的外側(cè)，就不能保持機(jī)器人的穩(wěn)定姿勢。這種操作是一只腳與另一只腳交叉的腿交叉操作，并且是右腿和左腿相互干擾的、在物理上和機(jī)械上都難以實(shí)現(xiàn)的動作。
雙腿行走機(jī)器人是根據(jù)與人和類人猿的行為機(jī)理相一致的運(yùn)動設(shè)計的。機(jī)器人在縱向的抗干擾能力強(qiáng)，而在橫向的抗干擾能力相對較弱。
考慮到控制器的計算速度、要控制的目標(biāo)的響應(yīng)速度、和其它參數(shù)，在用腿作業(yè)期間，只通過操作控制來控制機(jī)器人的姿勢是極為困難的。也就是說，在ZMP位置已經(jīng)偏離了穩(wěn)定ZMP區(qū)域之后校正ZMP的后控制易受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種在用腿作業(yè)期間，利用所謂的ZMP(零力矩點(diǎn))作為穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行機(jī)器人的姿勢控制的出色腿式移動機(jī)器人及其控制方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用采樣間隔相對長的ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行機(jī)器人的姿勢控制的出色腿式移動機(jī)器人及其控制方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種形成使機(jī)器人能夠在人的生活環(huán)境下，穩(wěn)定地動態(tài)行走的ZMP狀態(tài)空間的出色腿式移動機(jī)器人及其控制方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種在腿式移動機(jī)器人的可移動腿部單元中的腳部結(jié)構(gòu)，其中腳在著地那一瞬間受到行走表面的沖力被吸收了，和要不然被破壞掉的穩(wěn)定機(jī)器人姿勢得到了恢復(fù)或穩(wěn)定姿勢的恢復(fù)變得容易了。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種不僅通過機(jī)器人身體的操作控制，而且借助于機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，都能容易地保持它的穩(wěn)定姿勢的出色腿式移動機(jī)器人。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種通過提高抵抗橫向干擾的抗干擾能力，容易地保持它的姿勢穩(wěn)定性的出色腿式移動機(jī)器人。
本發(fā)明就是在考慮了上述目的之后研究出來的，在一個方面，它涉及至少擁有兩只可移動腿的腿式移動機(jī)器人及其控制方法。腿式移動機(jī)器人及其控制方法分別包括ZMP狀態(tài)空間控制裝置和步驟，用于控制通過機(jī)器人身體的俯仰軸力矩和搖晃軸力矩變成零的ZMP位置和地板表面作用在機(jī)器人身體上的地板反作用力定義的ZMP狀態(tài)空間，其中ZMP狀態(tài)空間控制裝置和步驟事先把預(yù)定形變或預(yù)定特性賦予ZMP狀態(tài)空間。
正如在“背景技術(shù)”中已經(jīng)討論過的那樣，ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則只用在機(jī)器人身體和行走表面在性質(zhì)上非常接近固體的時候。也就是說，當(dāng)機(jī)器人身體和行走表面在性質(zhì)上非常接近固體的假設(shè)不成立時，ZMP所在的空間變成不穩(wěn)定的，除非利用相對短的采樣間隔適當(dāng)?shù)靥幚碛墒┘釉谏厦娴牧σ鸬臋C(jī)器人的動量。雖然機(jī)器人的姿勢滿腿ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則，但是，為了使不穩(wěn)定ZMP變成穩(wěn)定的，機(jī)器人的姿勢變得不穩(wěn)定了。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面的步行機(jī)器人及其控制方法中，采用ZMP(零力矩點(diǎn))作為姿勢的穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則。在考慮到機(jī)器人身體的動量之后，采用擁有穩(wěn)定ZMP空間的機(jī)器人系統(tǒng)配置。
ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以事先把形變賦予ZMP狀態(tài)空間，以便隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，在機(jī)器人身體中產(chǎn)生動量，把ZMP位置移回到穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，其中穩(wěn)定ZMP區(qū)域是由可移動腿的腳底的地接觸點(diǎn)和行走表面形成的支承多邊形。這樣，就形成機(jī)器人容易保持它的姿勢的結(jié)構(gòu)。在ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟中，預(yù)定特性可以是機(jī)器人的動量的大小或方向隨地板反作用力而改變。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面的腿式移動機(jī)器人及其控制方法中，在ZMP位置的移動已經(jīng)超出預(yù)定范圍之后，提供空間形變和預(yù)定特性，而不是開始后校正控制。雖然機(jī)器人身體的控制機(jī)制沒有腿夠快的響應(yīng)，但是，保證抵抗干擾的抗干擾能力很強(qiáng)。
在ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟中，ZMP狀態(tài)空間控制裝置可以把機(jī)器人身體的動量設(shè)置成穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近的極小點(diǎn)。在這種情況下，沿著不斷使姿勢保持穩(wěn)定的方向產(chǎn)生機(jī)器人身體的動量。因此，容易保持姿勢穩(wěn)定。即使利用相對長的采樣間隔，也可以進(jìn)行充分穩(wěn)定的姿勢控制。
ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把機(jī)器人身體的動量設(shè)置成穩(wěn)定ZMP區(qū)域中心附近的極小點(diǎn)，同時把機(jī)器人身體的動量設(shè)置成穩(wěn)定ZMP區(qū)域邊緣附近的極大點(diǎn)。在置于極大點(diǎn)之間的區(qū)域中，產(chǎn)生機(jī)器人身體的動量，致使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動。這樣就易于保持姿勢穩(wěn)定。即使利用相對長的采樣間隔，也可以進(jìn)行充分穩(wěn)定的姿勢控制。相反，在極大點(diǎn)以外，產(chǎn)生機(jī)器人的動量，致使ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域。因此，機(jī)器人從“姿勢穩(wěn)定模式”過渡到“跌倒模式”。
在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，其中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便機(jī)器人的動量在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中具有極大值，和以便隨著地板反作用力越來越大，機(jī)器人動量的極大值的ZMP位置沿著正方向移動。
在這種情況下，在單支承階段的后一段，在直立腿中，彎曲度與ZMP位置沿著Y軸的位移量幾乎成線性地減少。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，當(dāng)ZMP位置向機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)移動時，直立腿向內(nèi)彎曲；當(dāng)ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體時，直立腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，雖然ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，但是直立腿卻變得難以向外彎曲。
假設(shè)機(jī)器人的總重量是100，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧ψ兂傻扔诨虼笥?00時，把它定義成“大”力。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ?0到100的范圍內(nèi)時，把它定義為“中等”力，和當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧Φ扔诨蛐∮?0時，把它定義為“小”力。這只不過大致定一下，取決于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和重量，這種劃分是可以改變的。定性地說，“小地板反作用力”指的是在雙支承階段，當(dāng)一只腳支承著機(jī)器人的幾乎全部重量時，作用在另一只腳上的地板反作用力。
在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，其中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中機(jī)器人的動量在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
在這種情況下，在單支承階段的后一段，在直立腿中，彎曲度與ZMP位置沿著X軸的位移量幾乎成線性地減少。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，當(dāng)ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體時，直立腿向前彎曲；當(dāng)ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體時，直立腿向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，不管ZMP位置向前還是向后移動，直立腿都變得難以彎曲。
在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。在運(yùn)動方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
在地板反作用力小的單支承階段，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立腿向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向前彎曲。
在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。在運(yùn)動方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲。
在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，其中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中的機(jī)器人動量在穩(wěn)定ZMP狀態(tài)空間的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
在這種情況下，腿的彎曲度與ZMP位置沿著從機(jī)器人身體向外的方向的位移量幾乎成線性地減少。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向內(nèi)往機(jī)器人身體方向，直立腿向內(nèi)彎曲；隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，不管ZMP位置向內(nèi)還是向外移動，直立腿都變得難以彎曲。在雙支承階段，機(jī)器人被兩只腿支承著，腿的彎曲度小于在單腿支承著機(jī)器人的單支承階段的彎曲度。
在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，其中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置從機(jī)器人身體向外移動的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中的機(jī)器人動量在穩(wěn)定ZMP狀態(tài)空間的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
在這種情況下，腿的彎曲度與ZMP位置沿著從機(jī)器人身體向外的方向的位移量幾乎成線性地減少。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立腿向前彎曲；隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體時，直立腿向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，不管ZMP位置向前還是向后移動，直立腿都變得難以彎曲。在雙支承階段，機(jī)器人被兩只腿支承著，腿的彎曲度小于在單腿支承著機(jī)器人的單支承階段的彎曲度。
在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。在運(yùn)動方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
在地板反作用力小的雙支承階段，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立腿向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向前彎曲。
在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。在運(yùn)動方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲。
在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，其中，第一坐標(biāo)軸的負(fù)方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便機(jī)器人的動量在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中具有極大值，和以便隨著地板反作用力越來越大，機(jī)器人動量的極大值的ZMP位置沿著正方向移動。
在單支承階段的前一段，在直立腿中，腿的彎曲度與ZMP位置沿著Y軸的位移量幾乎成線性地減少。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲；隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，雖然ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，但是直立腿卻變得難以向外彎曲。
在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，其中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中機(jī)器人的動量在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
在單支承階段的前一段，在直立腿中，腿的彎曲度與ZMP位置沿著X軸的位移量幾乎成線性地減少。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立腿向前彎曲；隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，不管ZMP位置向前還是向后偏離機(jī)器人身體，直立腿都變得難以彎曲。
在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。在運(yùn)動方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
在地板反作用力小的單支承階段的前一段，隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲，和隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立腿向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向前彎曲。
在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。在運(yùn)動方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置或步驟可以把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲，和隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲。
ZMP狀態(tài)空間控制裝置可以是每只可移動腿的腳部結(jié)構(gòu)，腳部結(jié)構(gòu)包括腳座、腳墊和腳踝連接單元，其中，腳座具有通常是平面的結(jié)構(gòu)；腳墊位于腳座的腳底上，具有非簡諧特性，剛開始時，形變相對較大，隨后，形變相對較??；和腳踝連接單元位于腳座上表面的中央附近，用于將腳座與腿式移動機(jī)器人的可移動腿連接在一起。
當(dāng)腳與行走表面接觸時，具有非簡諧特性的腳墊首先變形。因此，要求它具有腿夠的緩沖效應(yīng)。隨著腳墊進(jìn)一步變形，非簡諧特性使單位外加負(fù)載引起的形變減少了，并且，由于過分的形變，腳底不再變得不穩(wěn)定了。也就是說，由腳部結(jié)構(gòu)構(gòu)成的ZMP狀態(tài)空間控制裝置導(dǎo)致ZMP狀態(tài)空間存在使機(jī)器人動量可以把ZMP位置向內(nèi)移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的空間形變。
ZMP狀態(tài)空間控制裝置可以是每只可移動腿的腿部結(jié)構(gòu)，腿部結(jié)構(gòu)包括至少一個關(guān)節(jié)致動器、具有第一剛度的內(nèi)側(cè)支承體、和具有第二剛度的外側(cè)支承體，其中，關(guān)節(jié)致動器用于實(shí)現(xiàn)可移動腿上的自由度；內(nèi)側(cè)支承體用于支承在腿式移動機(jī)器人身體內(nèi)側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器；和外側(cè)支承體用于支承在腿式移動機(jī)器人身體外側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器，第二剛度比第一剛度相對大一些。
即使在機(jī)器人身體中出現(xiàn)意想不到的干擾，由腿部結(jié)構(gòu)構(gòu)成的ZMP狀態(tài)空間控制裝置也使ZMP難以向腳的外側(cè)，即，與腳的拱部相反的那一側(cè)移動。其結(jié)果是，腿式移動機(jī)器人抵抗橫向干擾的抗干擾能力提高了，從而非常便于機(jī)器人身體的姿勢控制。也就是說，引導(dǎo)ZMP向機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)，即，腳的拱側(cè)移動。把導(dǎo)致使ZMP位置向內(nèi)移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域內(nèi)部的機(jī)器人動量的空間形變賦予ZMP狀態(tài)空間。例如，當(dāng)意想不到的干擾使ZMP移向腳的拱側(cè)，即左右腳之間時，腿式移動機(jī)器人迅速地讓抬起的腳著地。這樣，穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大了，從而易于防止跌倒。
本發(fā)明第二方面涉及至少含有數(shù)只可移動腿的腿式移動機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，腳部結(jié)構(gòu)包括腳座、腳墊和腳踝連接單元，其中，腳座具有通常是平面的結(jié)構(gòu)；腳墊位于腳座的腳底上，具有非簡諧特性，剛開始時，形變相對較大，隨后，形變相對較??；和腳踝連接單元位于腳座上表面的中央附近，用于將腳座與腿式移動機(jī)器人的可移動腿連接在一起。
腳墊可以由至少兩種布置在腳座的腳底上的預(yù)定位置上的緩沖材料構(gòu)成，其中，緩沖材料的高度是不同的。使用高度不同的緩沖材料相對來說易于實(shí)現(xiàn)腳墊的非簡諧特性。
當(dāng)腳與行走表面接觸時，具有非簡諧特性的腳墊首先變形。因此，要求它具有腿夠的緩沖效應(yīng)。隨著腳墊進(jìn)一步變形，非簡諧特性使單位外加負(fù)載引起的形變減少了，并且，由于過分的形變，腳底不再變得不穩(wěn)定了。也就是說，在本發(fā)明第二方面中，腿式移動機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)提供了存在使機(jī)器人動量可以把ZMP位置向內(nèi)移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的空間形變的ZMP狀態(tài)空間。
緩沖材料可以位于腳座的腳底的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。當(dāng)緩沖材料可以位于腳座的腳底的內(nèi)側(cè)和外側(cè)時，位于外側(cè)的緩沖材料在剛度上要高于位于內(nèi)側(cè)的緩沖材料。
在腳座的腳底的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上腳座緩沖材料的形變特性之間的差異使得當(dāng)大的沖力施加到機(jī)器人身上時，內(nèi)側(cè)緩沖材料下陷得比外側(cè)緩沖材料多。其結(jié)果是，安裝在腳座上的腿部單元向機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)，即，向機(jī)器人身體的中間(腳的拱側(cè))傾斜。這樣，在機(jī)器人的ZMP向內(nèi)移向機(jī)器人身體的同時，抬起的腳著地，從而，穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大了。因此，機(jī)器人姿勢的穩(wěn)定性和可控制性提高了。
可以把繞腿式移動機(jī)器人的搖晃軸的剛度設(shè)得比繞腿式移動機(jī)器人的俯仰軸的剛度高。通過在腳座的上表面和/或腳底的預(yù)定位置上形成一些凹部，可以把繞腿式移動機(jī)器人的搖晃軸的剛度設(shè)得比繞腿式移動機(jī)器人的俯仰軸的剛度高。
雙腿腿式移動機(jī)器人通常沿著橫向(繞搖晃軸的方向)的ZMP范圍比沿著縱向(繞俯仰軸的方向)的ZMP范圍窄。也就是說，抵抗繞搖晃軸的干擾的抗干擾能力較低，因此，要求機(jī)器人沿著橫向，即，繞搖晃軸具有極高的控制精度。根據(jù)本發(fā)明的腳部結(jié)構(gòu)，繞搖晃軸的剛度提高了，從而相當(dāng)大地提高了抵抗橫向干擾的抗干擾能力。其結(jié)果是，雙腿腿式移動機(jī)器人的姿勢控制變得容易了。
本發(fā)明第三方面涉及腿式移動機(jī)器人，并且至少包括進(jìn)行雙腿作業(yè)的一對左右可移動腿部單元。可移動腿部單元包括至少一個關(guān)節(jié)致動器、具有第一剛度的內(nèi)側(cè)支承體、和具有第二剛度的外側(cè)支承體，其中，關(guān)節(jié)致動器用于實(shí)現(xiàn)可移動腿上的自由度；內(nèi)側(cè)支承體用于支承在腿式移動機(jī)器人身體內(nèi)側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器；和外側(cè)支承體用于支承在腿式移動機(jī)器人身體外側(cè)上的關(guān)節(jié)致，第二剛度比第一剛度相對大一些。
在本發(fā)明的第三方面中，本發(fā)明的腿式移動機(jī)器人在左右可移動腿部單元中采用了外側(cè)支承體和內(nèi)側(cè)支承體在剛度上不同的結(jié)構(gòu)，具體地說，把外側(cè)支承體的剛度(尤其在抗彎剛度方面)設(shè)得要比內(nèi)側(cè)支承體的剛度高。這種安排使得即使在機(jī)器人身體中出現(xiàn)意想不到的干擾，ZMP也難以向腳的外側(cè)，即，與腳的拱部相反的那一側(cè)移動。其結(jié)果是，腿式移動機(jī)器人抵抗橫向干擾的抗干擾能力提高了，從而非常便于機(jī)器人身體的姿勢控制。
也就是說，引導(dǎo)ZMP向機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)，即，腳的拱側(cè)移動。把導(dǎo)致使ZMP位置向內(nèi)移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域內(nèi)部的機(jī)器人動量的空間形變賦予ZMP狀態(tài)空間。例如，當(dāng)意想不到的干擾使ZMP移向腳的拱側(cè)，即左右腳之間時，腿式移動機(jī)器人迅速地讓抬起的腳著地。這樣，穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大了，從而易于防止跌倒。
就抗彎剛度而言，第二剛度最好是第一剛度的1.2倍。
第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過把內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體的厚度做得不一樣來實(shí)現(xiàn)。
第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過把內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體的形狀做得不一樣來實(shí)現(xiàn)。
第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過分別用機(jī)械強(qiáng)度不同的材料制成內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體來實(shí)現(xiàn)。
可移動腿的關(guān)節(jié)的自由度可以至少包括繞臀部搖晃軸的自由度和繞膝部搖晃軸的自由度。并且，可移動腿的關(guān)節(jié)的自由度還可以包括將腳與腿相連接的踝關(guān)節(jié)的自由度。
本發(fā)明第四方面涉及左右成對地用在進(jìn)行用腿作業(yè)的腿式移動機(jī)器人中的可移動腿部單元?？梢苿油炔繂卧ㄖ辽僖粋€關(guān)節(jié)致動器、具有第一剛度的內(nèi)側(cè)支承體、和具有第二剛度的外側(cè)支承體，其中，關(guān)節(jié)致動器用于實(shí)現(xiàn)可移動腿上的自由度；內(nèi)側(cè)支承體用于支承在腿式移動機(jī)器人身體內(nèi)側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器；和外側(cè)支承體用于支承在腿式移動機(jī)器人身體外側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器，第二剛度比第一剛度相對大一些。
在本發(fā)明的第四方面中，本發(fā)明的腿式移動機(jī)器人在這對左右可移動腿部單元的每一個中采用了外側(cè)支承體和內(nèi)側(cè)支承體在剛度上不同的結(jié)構(gòu)，具體地說，把外側(cè)支承體的剛度(尤其在抗彎剛度方面)設(shè)得要比內(nèi)側(cè)支承體的剛度高。這種安排使得即使在機(jī)器人身體中出現(xiàn)意想不到的干擾，ZMP也難以向腳的外側(cè)，即，與腳的拱部相反的那一側(cè)移動。其結(jié)果是，腿式移動機(jī)器人抵抗橫向干擾的抗干擾能力提高了，從而非常便于機(jī)器人身體的姿勢控制。
也就是說，引導(dǎo)ZMP向機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)，即，腳的拱側(cè)移動。把導(dǎo)致使ZMP位置向內(nèi)移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域內(nèi)部的機(jī)器人動量的空間形變賦予ZMP狀態(tài)空間。例如，當(dāng)意想不到的干擾使ZMP移向腳的拱側(cè)，即左右腳之間時，腿式移動機(jī)器人迅速地讓抬起的腳著地。這樣，穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大了，從而易于防止跌倒。
就抗彎剛度而言，第二剛度最好是第一剛度的1.2倍。更可取地，第二剛度最好是第一剛度的1.5到2.0倍。
第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過把內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體的厚度做得不一樣來實(shí)現(xiàn)。
第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過把內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體的形狀做得不一樣來實(shí)現(xiàn)。
第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過分別用機(jī)械強(qiáng)度不同的材料制成內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體來實(shí)現(xiàn)。
可移動腿的關(guān)節(jié)的自由度可以至少包括繞臀部搖晃軸的自由度和繞膝部搖晃軸的自由度。并且，可移動腿的關(guān)節(jié)的自由度還可以包括將腳與腿相連接的踝關(guān)節(jié)的自由度。
本發(fā)明第五方面涉及控制至少含有兩只可移動腿的腿式移動機(jī)器人的方法，和包括通過機(jī)器人身體的俯仰軸力矩和搖晃軸力矩變成零的ZMP位置和通過地板表面作用在機(jī)器人身體上的地板反作用力定義ZMP狀態(tài)空間的步驟、根據(jù)ZMP狀態(tài)空間的定義確定穩(wěn)定ZMP位置的步驟、和根據(jù)確定的穩(wěn)定ZMP位置控制機(jī)器人身體的操作的步驟。
在本發(fā)明的第五方面中，本發(fā)明控制腿式移動機(jī)器人的控制方法采用ZMP作為姿勢的穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則，和在考慮到機(jī)器人身體的動量之后控制擁有穩(wěn)定ZMP空間的機(jī)器人身體的動作。
事先把形變賦予ZMP狀態(tài)空間，以便隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，在機(jī)器人身體中產(chǎn)生動量，把ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，其中，穩(wěn)定ZMP區(qū)域是由可移動腿的腳底的地接觸點(diǎn)和行走表面組成的支承多邊形。即使機(jī)器人身體的控制機(jī)制沒有腿夠快的響應(yīng)速度，也可以達(dá)到高的抵抗干擾的抗干擾能力。
在本發(fā)明的第五方面中，本發(fā)明控制腿式移動機(jī)器人的控制方法可以包括根據(jù)腿式移動機(jī)器人與行走表面之間的接觸狀態(tài)，修改ZMP狀態(tài)空間的定義的步驟。
當(dāng)?shù)匕灞砻孀饔迷谀_底上的地板反作用力發(fā)生改變時，根據(jù)腿式移動機(jī)器人與行走表面之間的接觸狀態(tài)賦予ZMP狀態(tài)空間的空間形變得到動態(tài)控制。在任何狀態(tài)下，都易于進(jìn)行機(jī)器人身體的姿勢控制，致使隨著ZMP位置向外移動，產(chǎn)生使ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的機(jī)器人身體動量。
定義ZMP狀態(tài)空間的步驟可以在ZMP狀態(tài)空間中的任何點(diǎn)上指定極大點(diǎn)和/或極小點(diǎn)。定義ZMP狀態(tài)空間的步驟可以在任何時候，在ZMP狀態(tài)空間中的任何點(diǎn)上指定極大點(diǎn)和/或極小點(diǎn)。定義ZMP狀態(tài)空間的步驟可以根據(jù)腿的支承狀態(tài)，諸如單支承階段的前一段、雙支承階段、和單支承階段的后一段，在ZMP狀態(tài)空間中的任何點(diǎn)上指定極大點(diǎn)和/或極小點(diǎn)。
在用腿作業(yè)中，機(jī)器人動態(tài)地生成根據(jù)機(jī)器人的瞬時改變步態(tài)容易進(jìn)行姿勢控制的、存在空間形變的ZMP狀態(tài)空間。
從本發(fā)明的如下詳細(xì)描述和附圖中可以清楚地看到本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1示出了在機(jī)器人和行走表面在性質(zhì)上非常接近固體的模型下，ZMP位置與機(jī)器人的動量之間的關(guān)系(機(jī)器人的ZMP狀態(tài)空間)；圖2示出了當(dāng)機(jī)器人和行走表面不是固體時，ZMP位置與機(jī)器人的動量之間的關(guān)系(也就是說，機(jī)器人的ZMP狀態(tài)空間)；圖3是實(shí)施本發(fā)明的直立“人形化”或“人型”腿式移動機(jī)器人100的前部的透視圖；圖4是實(shí)施本發(fā)明的直立“人形化”或“人型”腿式移動機(jī)器人100的后部的透視圖；圖5示意性地顯示了腿式移動機(jī)器人100的自由度；圖6示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人100的控制系統(tǒng)配置；圖7顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的ZMP狀態(tài)空間；圖8顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的另一個ZMP狀態(tài)空間；圖9顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的另一個ZMP狀態(tài)空間；圖10顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的另一個ZMP狀態(tài)空間；圖11顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的另一個ZMP狀態(tài)至間；圖12顯示了在單支承階段的后一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)；圖13顯示了在單支承階段的后一段，沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)；圖14顯示了在單支承階段的后一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖15顯示了在單支承階段的后一段，沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖16顯示了在單支承階段的后一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)軀干單元的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖17顯示了在單支承階段的后一段，沿著X方向(運(yùn)動方向)軀干單元的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖18顯示了在雙支承階段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)；圖19顯示了在雙支承階段，沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)；圖20顯示了在雙支承階段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖21顯示了在雙支承階段，沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖22顯示了在雙支承階段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)軀干單元的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖23顯示了在雙支承階段，沿著X方向(運(yùn)動方向)軀干單元的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖24顯示了在單支承階段的前一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)；圖25顯示了在單支承階段的前一段，沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)；圖26顯示了在單支承階段的前一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；
圖27顯示了在單支承階段的前一段，沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖28顯示了在單支承階段的前一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)軀干單元的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖29顯示了在單支承階段的前一段，沿著X方向(運(yùn)動方向)軀干單元的ZMP狀態(tài)空間的理想結(jié)構(gòu)；圖30是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的、用在腿式移動機(jī)器人100中的左腳的上側(cè)的外部透視圖；圖31是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的、用在腿式移動機(jī)器人100中的左腳的下側(cè)的外部透視圖；圖32是顯示左腳外側(cè)的側(cè)視圖；圖33是左腳的仰視圖；圖34是左腳的正視圖；圖35是左腳的俯視圖；圖36是沿著圖35中的直線A-A切開的剖視圖；圖37是在彈性系數(shù)方面將腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405與腳底緩沖材料(外側(cè))404相比較的圖形；圖38是在動量方面將腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405與腳底緩沖材料(外側(cè))404相比較的圖形；圖39是腳座403的上表面的透視圖；圖40是腳座403的下表面的透視圖；圖41是腳座403沿著搖晃軸方向切開的剖視圖；圖42顯示了繞搖晃軸的剛度被設(shè)成高于繞俯仰軸的剛度的腳座403；圖43是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的左腳的上側(cè)的外部透視圖；圖44是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的左腳的下側(cè)的外部透視圖；圖45是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的左腳的側(cè)視圖；圖46是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的左腳的仰視圖；圖47是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人100的左右腿104每一個的放大圖；圖48是顯示圖47所示的腿式移動機(jī)器人100的腿部單元的外側(cè)(與腳的拱側(cè)相反)的側(cè)視圖；
圖49是顯示圖47所示的腿式移動機(jī)器人100的腿部單元的正視圖；圖50是顯示圖47所示的腿式移動機(jī)器人100的腿部單元的內(nèi)側(cè)(腳的拱側(cè))的側(cè)視圖；和圖51是顯示ZMP狀態(tài)空間的控制系統(tǒng)500的功能的功能性方塊圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖討論本發(fā)明的實(shí)施例。
A.機(jī)器人的構(gòu)造圖3和圖4顯示了實(shí)施本發(fā)明的、在直立位置的“人形化”或“人型”腿式移動機(jī)器人100的前部和后部。如圖所示，腿式移動機(jī)器人100包括軀干單元101、頭部單元102、左右上肢單元103、用于行走的左右下肢單元104、和通?？刂茩C(jī)器人身體的操作的控制器105。
的每一個都包括大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、腳踝、和腳，下肢單元104通過臀關(guān)節(jié)連接在軀干單元的下端附近。左右上肢單元103的每一個都包括上臂、肘關(guān)節(jié)和前臂，上肢單元103通過肩關(guān)節(jié)連接到軀干單元的左上側(cè)和右上側(cè)。頭部單元102通過頸關(guān)節(jié)連接在軀干單元的上中部附近。
控制器105包括(主)控制單元，用于驅(qū)動構(gòu)成腿式移動機(jī)器人100的每個致動器，和用于處理從傳感器(以后討論)、電源電路、和邊緣設(shè)備輸入的處理信號?？刂破鬟€可以包括用于遙控和通信設(shè)備的通信接口。在圖3和圖4所示的例子中，腿式移動機(jī)器人100背著控制器，但是，控制器的安裝位置不受機(jī)器人的任何特定場所限制。
如此構(gòu)成的腿式移動機(jī)器人100通過由控制器105進(jìn)行的操作控制，以整體協(xié)調(diào)的方式雙腿行走。這樣的雙腿行走通常通過重復(fù)劃分成如下幾個操作階段的行走周期進(jìn)行下去。
(1)右腿抬起左腿著地的單支承階段；(2)右腿也著地的雙支承階段；(3)左腿抬起右腿著地的單支承階段；(4)左腿也著地的雙支承階段。
腿式移動機(jī)器人100的用腿控制是通過設(shè)計下肢單元的目標(biāo)路徑，和在上述每個階段中修正設(shè)計路徑來進(jìn)行的。具體地說，在雙支承階段，中止校正下肢單元的路徑，通過對設(shè)計路徑使用總校正值的一個不變值校正臀部的高度。在單支承階段，形成校正路徑，以便使校正腳踝和臀部之間相對位置關(guān)系恢復(fù)回到設(shè)計路徑上。具體地說，通過利用五階多項(xiàng)式的內(nèi)插計算進(jìn)行校正，以便位置、速度和加速度都變成連續(xù)的，減少ZMP的偏差。
圖5示意性地顯示了腿式移動機(jī)器人100的自由度。如圖所示，腿式移動機(jī)器人100是含有數(shù)個肢體的結(jié)構(gòu)，包括兩個手臂單元、一個頭部單元、用于行走的下肢單元、和用于把手臂單元和頭部單元與下肢單元連接的軀干單元。
用于支承單元1的頸關(guān)節(jié)擁有3個自由度，分別是頸關(guān)節(jié)擺動軸2、頸關(guān)節(jié)俯仰軸3、和頸關(guān)節(jié)搖晃軸4。
每只手臂擁有肩關(guān)節(jié)俯仰軸8、肩關(guān)節(jié)搖晃軸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)搖晃軸14、和手15。包括手指的手15實(shí)際上是多關(guān)節(jié)、多自由度結(jié)構(gòu)。但是，由于手15的操作對姿勢控制和用腿控制的貢獻(xiàn)和影響并不大，假設(shè)手15的自由度為零。因此，每只手臂有7個自由度。
軀干單元擁有3個自由度，分別是軀干俯仰軸5、軀干搖晃軸6、和軀干擺動軸7。
形成每個下肢單元的每個腿部單元擁有臀關(guān)節(jié)擺動軸16、臀關(guān)節(jié)俯仰軸17、臀關(guān)節(jié)搖晃軸18、膝關(guān)節(jié)俯仰軸19、踝關(guān)節(jié)俯仰軸20、踝關(guān)節(jié)搖晃軸21、和腳22。盡管包括腳底的腳22實(shí)際上是多關(guān)節(jié)、多自由度結(jié)構(gòu)，但是，假設(shè)與本實(shí)施例有關(guān)的腿式移動機(jī)器人100的腳底具有零自由度。因此，每只腿有6個自由度。
總之，本實(shí)施例的整個腿式移動機(jī)器人100擁有3+7×2+3+6×2＝32，即總共32個自由度。用于娛樂目的的腿式移動機(jī)器人不受32個自由度限制。取決于在設(shè)計和制造上的限制、和所要求的規(guī)格，在必要的時候，可以增加或減少自由度數(shù)，即關(guān)節(jié)數(shù)。
正如上面所討論的，實(shí)際上，利用致動器安裝腿式移動機(jī)器人100的每個自由度。為了滿腿如下要求生產(chǎn)模仿人體的、沒有包含不自然凸部的機(jī)器人，和在雙腿行走不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)上進(jìn)行姿勢控制，每個致動器最好是既小又輕。本實(shí)施例應(yīng)用了具有其中包含單芯片伺服機(jī)構(gòu)的直接齒輪耦合型電機(jī)的類型的小型AC(交流)伺服致動器。轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的日本專利申請公布第2000-299970號(日本專利申請平11-33386號)公開了AC伺服致動器。
圖6示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人100的控制系統(tǒng)配置。如圖所示，控制系統(tǒng)包括智能控制模塊200，用于控制情緒的確定的感情的表達(dá)；和運(yùn)動控制模塊300，用于控制諸如每個致動器的驅(qū)動之類機(jī)器人的整體協(xié)調(diào)運(yùn)動。
智能控制模塊200包括計算和處理情緒確定和感情表達(dá)CPU(中央處理單元)211、RAM(隨機(jī)存取存儲器)212、ROM(隨機(jī)只讀存儲器)213、和外部存儲設(shè)備(諸如硬盤設(shè)備)214。智能控制模塊200是以自主方式執(zhí)行一個過程的獨(dú)立驅(qū)動信息處理設(shè)備。
智能控制模塊200響應(yīng)諸如從視頻輸入設(shè)備251輸出的可視數(shù)據(jù)和從語音輸入設(shè)備25模塊252輸入的音頻數(shù)據(jù)之類的外部刺激，決定腿式移動機(jī)器人100的當(dāng)前感情和想法。并且，智能控制模塊200根據(jù)決定的作出，向運(yùn)動控制模塊300發(fā)出命令，完成動作或行為序列，即，讓肢體單元運(yùn)動。
另一方面，運(yùn)動控制模塊300包括通?？刂仆仁揭苿訖C(jī)器人100的整體協(xié)調(diào)運(yùn)動的CPU(中央處理單元)311、RAM(隨機(jī)存取存儲器)312、ROM(隨機(jī)只讀存儲器)313、和外部存儲設(shè)備(諸如硬盤設(shè)備)314。運(yùn)動控制模塊300是以自主方式執(zhí)行一個過程的獨(dú)立驅(qū)動信息處理設(shè)備。外部存儲設(shè)備314可以存儲在線計算的步態(tài)模式和ZMP目標(biāo)路徑、和其它動作設(shè)計。
運(yùn)動控制模塊300通過總線接口301與各種設(shè)備相連接，這些設(shè)備包括分布在腿式移動機(jī)器人100的整個身體上和實(shí)現(xiàn)各自的自由度的關(guān)節(jié)致動器(參見圖5)、測量軀干單元的姿勢和傾斜的姿勢傳感器351、檢測左右腳底接觸地面還是從地面抬起的地面接觸傳感器352和353、和管理諸如電池之類的電源的電源控制單元。
智能控制模塊200和運(yùn)動控制模塊300被配置在同一平臺上，相互之間通過總線接口201和301連接。
運(yùn)動控制模塊300響應(yīng)智能控制模塊200發(fā)出的命令，控制機(jī)器人身體通過關(guān)節(jié)致動器完成整體協(xié)調(diào)動作。具體地說，CPU 311從外部存儲設(shè)備314中檢索智能控制模塊200發(fā)出的行為模式，內(nèi)部生成行為模式。響應(yīng)發(fā)出的行為模式，CPU 311設(shè)置腿部運(yùn)動、ZMP路徑、軀干運(yùn)動、上肢運(yùn)動、和臀部水平位置和高度，并且把響應(yīng)設(shè)置和代表各自的動作的命令值發(fā)送到各個致動器。
并且，CPU 311一邊從來自地面接觸傳感器352和353的輸出信號中檢測有關(guān)每只腿是抬起還是著地的每只腿的狀態(tài)，一邊從來自姿勢傳感器351的輸出信號中檢測腿式移動機(jī)器人100的軀干單元的姿勢和傾斜。因此，CPU311自適應(yīng)地控制腿式移動機(jī)器人100的整體協(xié)調(diào)運(yùn)動。
CPU 311控制機(jī)器人的姿勢和運(yùn)動，以便ZMP位置向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動。
運(yùn)動控制模塊300把有關(guān)該過程的進(jìn)程的數(shù)據(jù)，即，智能控制模塊200確定的動作被按部就班地執(zhí)行到什么樣的程度的數(shù)據(jù)返回到智能控制模塊200。
B.機(jī)器人的姿勢控制許多腿式移動機(jī)器人采用ZMP(零力矩點(diǎn))作為行走的穩(wěn)定確定準(zhǔn)則。
ZMP的穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則是基于“達(dá)朗伯原理”的，根據(jù)達(dá)朗伯原理，行走系統(tǒng)作用在行走表面上的重力和慣性力矩與行走表面反作用在行走系統(tǒng)上的地板反用作力和地板反作用力矩保持平衡。根據(jù)這個原理，在行走的任何瞬間，只要ZMP存在于腳和行走表面形成的支承多邊形內(nèi)，和只要機(jī)器人的壓力作用在行走表面上，機(jī)器人就能穩(wěn)定地行走，而不會跌倒(身體沒有轉(zhuǎn)動)。
利用ZMP作為穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則的機(jī)器人的姿勢控制需要搜索由腳底接觸點(diǎn)和行走表面組成的支承多邊形內(nèi)俯仰軸力矩和搖晃軸力矩變成零的點(diǎn)。在根據(jù)ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則生成雙腿行走模式的過程中，事先設(shè)置腳底著地點(diǎn)是有利的，并且，對于行走表面的結(jié)構(gòu)，腳趾的動力學(xué)限制狀態(tài)易于考慮。由于ZMP用作穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則意味著把路線而不是把力當(dāng)作目標(biāo)來對待，因此，提高了把ZMP用作穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則的技術(shù)可行性。
正如在“技術(shù)背景”中已經(jīng)討論的，ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則只用在機(jī)器人身體和行走表面在性質(zhì)上非常接近固體的時候。也就是說，當(dāng)機(jī)器人身體和行走表面非常接近固體的假設(shè)不成立時，隨著機(jī)器人高速移動而作用在ZMP上的(平動)力和在支承腿的轉(zhuǎn)換點(diǎn)上的沖力都很大，機(jī)器人本身也受動量或運(yùn)動支配。如果不適當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)器人由施加在機(jī)器人上的力引起的動量，ZMP所在的空間就變得不穩(wěn)定。雖然機(jī)器人的姿勢滿腿了ZMP準(zhǔn)則，但是，由于要使不穩(wěn)定ZMP變成穩(wěn)定的，機(jī)器人姿勢本身就變得不穩(wěn)定了。
在ZMP位置已經(jīng)偏離了穩(wěn)定ZMP區(qū)域之后開始校正控制的后控制中，達(dá)不到腿夠快的響應(yīng)，抵抗干擾的抗干擾能力也不那么高。
本實(shí)施例在考慮到機(jī)器人身體的動量之后，采用含有穩(wěn)定ZMP狀態(tài)空間的機(jī)器人系統(tǒng)配置。ZMP狀態(tài)空間通過ZMP位置和地面表面作用在機(jī)器人身體上的地板反作用力來定義。在本實(shí)施例中，把預(yù)定空間形變或預(yù)定特性事先賦予ZMP狀態(tài)空間，以便在機(jī)器人身體中產(chǎn)生使機(jī)器人穩(wěn)定的動量。
由于事先賦予空間形變使機(jī)器人的姿勢穩(wěn)定，而不是在ZMP位置的位移距離超過預(yù)定范圍之后開始后校正控制，即使機(jī)器人身體的控制機(jī)制沒有腿夠快的響應(yīng)，也能保證抵抗干擾的抗干擾能力很強(qiáng)。
應(yīng)該注意到，關(guān)于機(jī)器人動量的方向，負(fù)方向定義為使空間在某種程度上變形，致使ZMP位置朝著穩(wěn)定區(qū)域的邊緣移動的方向，和正方向定義為使空間在某種程度上變形，致使ZMP位置朝著穩(wěn)定區(qū)域的中心移動的方向。
圖7顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的ZMP狀態(tài)空間。
如圖所示，ZMP狀態(tài)空間由諸如拋物線或半圓形之類的非直線表示。盡管沒有示出，在ZMP狀態(tài)空間中可能含有不連續(xù)點(diǎn)和拐點(diǎn)。
由于對于存在于穩(wěn)定ZMP區(qū)域附近中的ZMP位置，不會產(chǎn)生大的動量，機(jī)器人身體在那里不會喪失它的穩(wěn)定姿勢。
隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，機(jī)器人的動量沿著正方向增加。與此同時，空間形變起作用，把ZMP移向穩(wěn)定區(qū)域的中心。因此，易于保持機(jī)器人身體的穩(wěn)定姿勢。
圖8顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的另一個ZMP狀態(tài)空間。
如圖所示，ZMP狀態(tài)空間由在穩(wěn)定ZMP區(qū)域中間的直線段和與直線段的左右端相連接的非線性曲線段組成，其中，在直線段和曲線段的每一段之間包含著不連續(xù)點(diǎn)。盡管沒有示出，可能還含有拐點(diǎn)。
由于對于存在于穩(wěn)定ZMP區(qū)域附近中，即，在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的平直部分中的ZMP位置，不會產(chǎn)生大的動量，機(jī)器人身體在那里不會喪失它的穩(wěn)定姿勢。
當(dāng)ZMP位置偏離平直區(qū)時，機(jī)器人的動量迅速增加。與此同時，使ZMP移回到穩(wěn)定區(qū)域的中心的空間形變起作用，在沒有正向運(yùn)動控制的情況下，機(jī)器人身體的穩(wěn)定姿勢易于保持。
圖9顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的另一個ZMP狀態(tài)空間。
如圖所示，ZMP狀態(tài)空間由相連的數(shù)條直線段組成，并且包含數(shù)個不連續(xù)點(diǎn)。
對于存在于穩(wěn)定ZMP區(qū)域中心附近中的ZMP位置，機(jī)器人的動量沿著正方向，與傾斜角相對較小的直線一致地，隨到穩(wěn)定ZMP區(qū)域中心的距離而逐漸增加。在到穩(wěn)定ZMP區(qū)域中心的預(yù)定距離之后，機(jī)器人的動量沿著正方向，與傾斜角相對較大的直線一致地，隨到穩(wěn)定ZMP區(qū)域中心的距離而迅速增加。
如圖所示，對于在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近中ZMP位置，相對弱的效應(yīng)起作用，形成把ZMP移向穩(wěn)定區(qū)域的中心的空間形變，而對于與穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心相隔較遠(yuǎn)的ZMP位置，相對強(qiáng)的效應(yīng)起作用，形成把ZMP移向穩(wěn)定區(qū)域的中心的空間形變。在沒有正向運(yùn)動控制的情況下，機(jī)器人身體的穩(wěn)定姿勢易于保持。
圖10顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的另一個ZMP狀態(tài)空間。
如圖所示，ZMP狀態(tài)空間由非線性曲線組成，曲線的極小點(diǎn)在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近，和曲線的極大點(diǎn)接近穩(wěn)定ZMP區(qū)域的邊緣。
對于在這樣的ZMP狀態(tài)空間中左右極大點(diǎn)之間的ZMP位置，機(jī)器人的動量沿著正方向，隨到穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的距離而增加。因比，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人身體的姿勢穩(wěn)定性易于保持的穩(wěn)定姿勢模式。
對于左右極大點(diǎn)以外的ZMP位置，機(jī)器人的動量逐漸增加，和使ZMP位置移向穩(wěn)定區(qū)域的中心的空間形變變小了。其結(jié)果是，機(jī)器人身體可能喪失它的穩(wěn)定姿勢，進(jìn)入跌倒模式。
圖11顯示了代表機(jī)器人的動量與ZMP位置之間的關(guān)系的另一個ZMP狀態(tài)空間。
如圖所示，ZMP狀態(tài)空間通過用數(shù)個不連續(xù)點(diǎn)連接數(shù)條直線組成。在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近，機(jī)器人的動量沿著負(fù)方向，以相對小的傾斜角，隨到穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的距離而逐漸增加。在到穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的預(yù)定距離之后，機(jī)器人的動量變成水平的。
在這個ZMP狀態(tài)空間中，機(jī)器人的動量只在穩(wěn)定ZMP區(qū)域內(nèi)的任何位置上，沿著負(fù)方向起作用。當(dāng)ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心預(yù)定距離時，把ZMP移出穩(wěn)定區(qū)域的空間形變變成不變的。因此，ZMP狀態(tài)空間是不穩(wěn)定的，但是對它的控制還是容易的。
現(xiàn)在考慮圖3到圖5所示的雙腿腿式移動機(jī)器人100在其中行走的ZMP狀態(tài)空間。在本實(shí)施例中，把空間形變賦予ZMP狀態(tài)空間，以便ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心。響應(yīng)地板反作用力產(chǎn)生機(jī)器人的動量，以便ZMP位置沿著使機(jī)器人身體穩(wěn)定的方向移動。
圖12和圖13分別顯示了在單支承階段的后一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)和沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)。
參照圖12，在單支承階段的后一段，在沿著Y方向直立左腿的ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體時，形成不再引起機(jī)器人動量的空間形變。其結(jié)果是，在作為支承腿的直立左腿中，彎曲度與ZMP位置沿著Y方向的位移量幾乎成線性地減少。對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立左腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立左腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，雖然ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，但是直立左腿卻變得難以向外彎曲。
假設(shè)機(jī)器人的總重量是100，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧ψ兂傻扔诨虼笥?00時，把它定義成“大”力。當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ?0到100的范圍內(nèi)時，把它定義為“中等”力，和當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧Φ扔诨蛐∮?0時，把它定義為“小”力(在如下的討論中同樣適用)。這只不過大致定一下，取決于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和重量，這種劃分是可以改變的。定性地說，“小地板反作用力”指的是在雙支承階段，當(dāng)一只腳支承著機(jī)器人的幾乎全部重量時，作用在另一只腳上的地板反作用力。
參照圖13，在單支承階段的后一段，在沿著X方向直立左腿的ZMP狀態(tài)空間中，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，形成使機(jī)器人動量逐漸減少的空間形變。其結(jié)果是，在作為支承腿的直立左腿中，彎曲度與ZMP位置沿著X方向的位移量幾乎成線性地減少。對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立左腿向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立左腿向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，不管ZMP位置向前還是向后移動，直立左腿都變得難以彎曲。
圖14和圖15分別顯示了在單支承階段的后一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)和沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的理想ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)。
參照圖14，在單支承階段的后一段，在沿著Y方向直立左腿的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立左腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立左腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立左腿向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立左腿向內(nèi)彎曲。
參照圖15，在單支承階段的后一段，在沿著X方向直立左腿的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立左腿向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立左腿向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立左腿向前彎曲。
圖16和圖17分別顯示了在單支承階段的后一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)和沿著X方向(運(yùn)動方向)軀干單元的理想ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)。
參照圖16，在單支承階段的后一段，在沿著Y方向軀干單元的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲。
參照圖17，在單支承階段的后一段，在沿著X方向軀干單元的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲。
圖18和圖19分別顯示了在雙支承階段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)和沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)。
參照圖18，在雙支承階段，在沿著Y方向直立左腿的ZMP狀態(tài)空間中，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，形成的空間形變使機(jī)器人的動量減少。由于在雙支承階段，兩只腿支承著機(jī)器人身體，因此，在ZMP狀態(tài)空間中的剛度變得高于在單支承階段的剛度，并且，空間形變小。其結(jié)果是，直立左腿的彎曲度與ZMP位置沿著Y方向的位移量幾乎成線性地減少。對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立左腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立左腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，與ZMP位置相對于機(jī)器人身體向內(nèi)還是向外移動無關(guān)，左腿被設(shè)計成難以彎曲。由于在雙支承階段，機(jī)器人被雙只腿支承著，因此，彎曲度在雙支承階段小于在機(jī)器人被一只腿支承著的單支承階段。
參照圖19，在雙支承階段，在沿著X方向直立左腿的ZMP狀態(tài)空間中，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，形成的空間形變使機(jī)器人的動量減少。由于在雙支承階段，兩只腿支承著機(jī)器人身體，因此，在ZMP狀態(tài)空間中的剛度變得高于在單支承階段的剛度，并且，空間形變小。其結(jié)果是，直立左腿的彎曲度與ZMP位置沿著X方向的位移量幾乎成線性地減少。對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立左腿向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，與ZMP位置相對于機(jī)器人身體向內(nèi)還是向外移動無關(guān)，直立左腿被設(shè)計成難以彎曲。由于在雙支承階段，機(jī)器人被雙只腿支承著，因此，彎曲度在雙支承階段小于在機(jī)器人被一只腿支承著的單支承階段。
圖20和圖21分別顯示了在雙支承階段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)和沿著X方向(運(yùn)動方向)直立左腿的理想ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)。
參照圖20，在雙支承階段，在沿著Y方向直立左腿的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。由于在雙支承階段，兩只腿支承著機(jī)器人身體，因此，在ZMP狀態(tài)空間中的剛度變得高于在單支承階段的剛度，并且，空間形變小。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立左腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立左腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立左腿向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立左腿向內(nèi)彎曲。由于在雙支承階段，機(jī)器人被雙只腿支承著，因此，彎曲度在雙支承階段小于在機(jī)器人被一只腿支承著的單支承階段。
參照圖21，在雙支承階段，在沿著X方向直立左腿的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。由于在雙支承階段，兩只腿支承著機(jī)器人身體，因此，在ZMP狀態(tài)空間中的剛度變得高于在單支承階段的剛度，并且，空間形變小。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立左腿向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立左腿向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立左腿向前彎曲。由于在雙支承階段，機(jī)器人被雙只腿支承著，因此，彎曲度在雙支承階段小于在機(jī)器人被一只腿支承著的單支承階段。
圖22和圖23分別顯示了在雙支承階段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)和沿著X方向(運(yùn)動方向)軀干單元的理想ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)。
參照圖22，在雙支承階段，在沿著Y方向軀干單元的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。由于在雙支承階段，兩只腿支承著機(jī)器人身體，因此，在ZMP狀態(tài)空間中的剛度變得高于在單支承階段的剛度，并且，空間形變小。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲。
參照圖23，在雙支承階段，在沿著X方向軀干單元的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。由于在雙支承階段，兩只腿支承著機(jī)器人身體，因此，在ZMP狀態(tài)空間中的剛度變得高于在單支承階段的剛度，并且，空間形變小。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲。
圖24和圖25分別顯示了在單支承階段的前一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)和沿著X方向(運(yùn)動方向)直立右腿的ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)。
參照圖24，在單支承階段的前一段，在沿著Y方向直立右腿的ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體時，形成的空間形變不再引起機(jī)器人的動量。其結(jié)果是，在作為支承腿的直立右腿中，彎曲度與ZMP位置沿著Y方向的位移量幾乎成線性地減少。對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，右腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，右腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，雖然ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，但是直立右腿卻變得難以彎曲。
參照圖25，在單支承階段的前一段，在沿著X方向直立右腿的ZMP狀態(tài)空間中，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，形成的空間形變使機(jī)器人的動量逐漸減少。其結(jié)果是，在作為支承腿的直立右腿中，彎曲度與ZMP位置沿著X方向的位移量幾乎成線性地減少。對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立右腿向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立右腿向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，不管ZMP位置向前還是向后偏離機(jī)器人身體，直立右腿都變得難以彎曲。
圖26和圖27分別顯示了在單支承階段的前一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)和沿著X方向(運(yùn)動方向)直立右腿的理想ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)。
參照圖26，在單支承階段的前一段，在沿著Y方向直立右腿的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立右腿向外彎曲，和隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立右腿向內(nèi)彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立右腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立右腿向外彎曲。
參照圖27，在單支承階段的前一段，在沿著X方向直立右腿的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立左腿向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立腿向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，直立左腿向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，直立左腿向前彎曲。
圖28和圖29分別顯示了在單支承階段的前一段，沿著Y方向(與運(yùn)動方向垂直)和沿著X方向(運(yùn)動方向)軀干單元的理想ZMP狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)。
參照圖28，在單支承階段的前一段，在沿著Y方向軀干單元的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲，和隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，軀干單元向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，軀干單元向外彎曲。
參照圖29，在單支承階段的前一段，在沿著X方向軀干單元的理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。其結(jié)果是，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體，軀干單元向后彎曲，和隨著ZMP位置向后偏離機(jī)器人身體，軀干單元向前彎曲。
C.ZMP狀態(tài)空間的例子在B部分中，根據(jù)機(jī)器人和行走表面在性質(zhì)上非常接近固體的假設(shè)，從通過ZMP位置和地板反作用力定義的ZMP狀態(tài)空間的角度討論了不是只依賴于ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則的、具有非常好姿勢穩(wěn)定性特征的機(jī)器人系統(tǒng)配置方法。
在這個部分中，將討論在把空間形變賦予它，以便使機(jī)器人身體穩(wěn)定的硬件下，應(yīng)用ZMP狀態(tài)空間的腿式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。
C-1.利用腳部結(jié)構(gòu)使其穩(wěn)定的ZMP狀態(tài)空間的形成在這個部分中討論的是與利用腿式移動機(jī)器人100的腳部結(jié)構(gòu)把很容易使機(jī)器人身體穩(wěn)定的空間形變賦予它的ZMP狀態(tài)空間有關(guān)的一個實(shí)施例。
圖30是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的、用在腿式移動機(jī)器人100中的左腳的上側(cè)的外部透視圖。圖31是左腳的下側(cè)的外部透視圖。圖32到圖35分別是顯示左腳的側(cè)視圖(腳的外側(cè))、仰視圖、正視圖、和俯視圖。圖36是沿著圖35中的直線A-A切開的剖視圖。
在如下的討論中，腳的“腳底”是腳的下表面，即，與行走表面接觸的表面，和腳的“上”表面是與腳的“腳底”相反的那一個表面。腳的“內(nèi)側(cè)”對應(yīng)于機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)(例如，左腳的右手側(cè)，即，左腳的拱側(cè))，和腳的“外側(cè)”對應(yīng)于機(jī)器人身體的外側(cè)(例如，左腳的左手側(cè)，即，與左腳的拱側(cè)相反的那一側(cè))。
參照圖30和圖31，腳包括腳座403、和覆蓋在腳座403的上表面上的腳蓋402。參照圖36，為了輕便的目的，腳蓋402被設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)。
安排在腳座403的上表面中央附近的是與可移動腿部單元和踝關(guān)節(jié)相連接的腳踝連接單元401。
腳座403、腳蓋402、和腳踝連接單元401由超硬鋁之類的輕質(zhì)高硬度材料制成。
如圖33所示，安排在腳座403的腳底的前后左右各部分上的是腳底緩沖材料(外側(cè))404、腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405、腳底緩沖材料(前側(cè))406、和腳底緩沖材料(后側(cè))407。這些緩沖材料404到407由尿烷人造橡膠之類具有預(yù)定彈性系數(shù)的彈性體制成。
從圖32可以看出，腳底緩沖材料(外側(cè))404是凹狀結(jié)構(gòu)，兩側(cè)是凸部404-a，和中間是凹部404-b。同樣，從圖31可以看出，腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405也是兩端凸出的凹狀結(jié)構(gòu)。因此，腳底在四個角上是凸出的。腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè)和外側(cè))405和405每一個的凹部的深度大約是0.5mm。
當(dāng)響應(yīng)腳底落在行走表面上，施加反作用力時，機(jī)器人最初只被凸部404-a支承著，彈性系數(shù)小(也就是說，外力引起的形變大)。當(dāng)凸部404-a被壓下，達(dá)到與凹部404-b齊平時，機(jī)器人由腳的整個腳底支承著。彈性系數(shù)變大了(也就是說，外力引起的形變小)。
當(dāng)緩沖材料404和405以這種方式由凹狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成時，緩沖材料與地板反作用力之類的負(fù)載之間的形變特性變成非線性的。例如，當(dāng)像正常行走那樣，地板反作用力小時，機(jī)器人只由腳底的四個角凸部支承著。當(dāng)響應(yīng)腳底著地施加的沖力，地板反作用力超過預(yù)定值時，機(jī)器人由安排在腳底上所有緩沖材料404-407支承著。腳與地面接觸的特性發(fā)生了改變，從而適當(dāng)?shù)鼗饬藳_力。
對于所使用的具有非線性特性的腳底緩沖材料，在剛與行走表面接觸時，腳底緩沖材料首先開始變形。因此，要求它具有腿夠的緩沖效應(yīng)。隨著形變繼續(xù)進(jìn)行下去，由于非線性特性，單位外加負(fù)載引起的形變減少了，并且，腳不再與可以導(dǎo)致腳不穩(wěn)定的過分形變有關(guān)了。
根據(jù)本實(shí)施例，腳底緩沖材料(外側(cè))404和腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405在彈性方面是不同的。具體地說，如圖37所示，腳底緩沖材料(外側(cè))404的彈性常數(shù)被設(shè)成大于腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405的彈性常數(shù)。其結(jié)果是，腳底緩沖材料(外側(cè))404和腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405每一個的形變在正常行走和沖力施加之間變成非線性的。腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405在非線性區(qū)中的形變大于腳底緩沖材料(外側(cè))404的形變。
由于這種腳底緩沖材料(外側(cè))404和腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405的形變特性之間的差異，當(dāng)施加大的沖力時，腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))405陷得較深。其結(jié)果是，安裝在腳座403上的腿部單元(未示出)向內(nèi)，即，朝著機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)(腳的拱側(cè))傾斜。通過向機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)移動機(jī)器人的ZMP位置，即，通過使抬起的那只腿著地，效果作用在擴(kuò)大穩(wěn)定ZMP區(qū)域的方向上。
對于所采用的如圖30到圖35所示的腳底結(jié)構(gòu)，在ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。正如參照圖14、圖20和圖26已經(jīng)討論過的那樣，在單支承階段的前一段、雙支承階段、和單支承階段的后一段的每一個期間，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲。其結(jié)果是，機(jī)器人姿勢的穩(wěn)定性和可控制性提高了(也就是說，姿勢控制變得容易了)。
緩沖材料的非線性特性是通過把具有不同彈性系數(shù)的彈性體疊在一起，而不是在緩沖材料的橫斷面上安排一些凸部實(shí)現(xiàn)的。并且，通過改變要使用的緩沖材料的形狀和面積，以及彈性系數(shù)，可以容易地把緩沖材料的形變特性設(shè)得在腳的內(nèi)側(cè)(拱側(cè))與腳的外側(cè)(與拱側(cè)相反的一側(cè))之間是不同的。
圖39是腳座403的上表面的透視圖。圖40是腳座403的下表面的透視圖。
如圖所示，腳座403是由超硬鋁之類的輕質(zhì)高硬度材料制成的平面結(jié)構(gòu)。
參照圖39，腳底403在它的上表面上，含有分別在它的前側(cè)和后側(cè)的凹部(a)403-a和凹部(b)403-b。排列在凹部(a)403-a和403-b之間的凸部(d)403-d，凸部(d)403-d是腳踝連接單元的安裝位置403-f。
參照圖40，在腳座403的腳底的中央附近形成凹部(c)403-c，和凸部(e)403-e環(huán)繞著凹部(c)403-c。
圖41是腳座403沿著搖晃軸方向(即，沿著機(jī)器人身體的縱向)切開的剖視圖。如圖所示，凹部403-a、403-b和403-c是通過降低腳座403的平面結(jié)構(gòu)的厚度形成的，并且具有調(diào)整整個腳的剛度平衡的作用。
根據(jù)本發(fā)明，通過安排在腳座403(參見圖42)的上側(cè)的中間附近的、在兩側(cè)上在凹部403-a和403b之間的凸部403-d，繞搖晃軸的剛度被設(shè)成大于繞俯仰軸的剛度。
從圖3和圖4所示的機(jī)器人身體的整個結(jié)構(gòu)可以看出，雙腿腿式移動機(jī)器人100擁有橫向(繞搖晃軸的方向)比行走方向，即，縱向(繞俯仰軸的方向)窄的ZMP范圍。也就是說，機(jī)器人抵抗繞搖晃軸的干擾的抗干擾能力較弱，由于這個原因，對于繞搖晃軸，要求嚴(yán)格的控制精度。在本實(shí)施例中，使用圖39到圖41所示的腳座403的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了搖晃軸的剛度。沿著橫向抵抗干擾的抗干擾能力得到相當(dāng)大提高。
圖39到圖41所示的腳底結(jié)構(gòu)的使用引起空間形變，以便產(chǎn)生使ZMP位置移向ZMP狀態(tài)空間中穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的機(jī)器人動量。正如參照圖14、圖20和圖26已經(jīng)討論過的那樣，在單支承階段的前一段、雙支承階段、和單支承階段的后一段的每一個期間，當(dāng)ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲。
對于為了使ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心而在ZMP狀態(tài)空間中引起空間形變的機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)器人姿勢的穩(wěn)定性和可控制性提高了?？梢杂孟鄬﹂L的采樣間隔保持機(jī)器人身體的姿勢穩(wěn)定，因此，姿勢控制變得容易了。
圖43是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的左腳的上側(cè)的外部透視圖。圖44是同一只左腳的下側(cè)的外部透視圖。圖45和圖46分別是左腳的側(cè)視圖(腳的外側(cè))和仰視圖。
參照圖43和圖44，腳包括腳座503和覆蓋在腳座503的上表面的腳蓋502。為了輕便的目的，腳蓋402被設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)。安排在腳座503的上表面中央附近的是與可移動腿部單元和踝關(guān)節(jié)相連接的腳踝連接單元501。
與圖39到圖41所示的前一個實(shí)施例一樣，腳座503由平面結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在它的上表面和下表面的每一個含有至少一個凹部，并且，繞俯仰軸的剛度與繞搖晃軸的剛度之間的平衡得到了調(diào)整。繞搖晃軸的剛度被設(shè)得大于繞俯仰軸的剛度參見圖43)。沿著橫向抵抗干擾的抗干擾能力得到相當(dāng)大提高。
腳座503、腳蓋502、和腳踝連接單元501每一個的主體由超硬鋁之類的輕質(zhì)高硬度材料制成(與前一個實(shí)施例一樣)。
從圖44和圖46可以看出，腳底緩沖材料(前內(nèi)側(cè))504、腳底緩沖材料(前外側(cè))505、腳底緩沖材料(后內(nèi)側(cè))506和腳底緩沖材料(后外側(cè))507被分別安排在腳座503的腳底的四個角上。沿著腳底的內(nèi)緣(拱側(cè))安排單個腳底緩沖材料(中內(nèi)側(cè))508，和沿著腳底的外緣安排兩個腳底緩沖材料(中外側(cè))509-a和509-b。這些腳底緩沖材料504到509由尿烷人造橡膠之類具有預(yù)定彈性系數(shù)的彈性體制成。
從圖45可以看出，安排在腳底內(nèi)緣中間附近上的腳底緩沖材料(中內(nèi)側(cè))508和安排在腳底外緣中間附近上的腳底緩沖材料(中外側(cè))509-a和509-b具有比其它腳底緩沖材料504-507低的高度。這個高度差達(dá)0.5mm。高度差使整個機(jī)器人的彈性變成非線性的(參見圖37和圖38)。
當(dāng)響應(yīng)腳底與行走表面的接觸，行走表面的反作用力起作用時，機(jī)器人最初只被高度稍高的四個角上的腳底緩沖材料504到507支承著。彈性系數(shù)小(也就是說，外力引起的形變大)。當(dāng)四個角上的腳底緩沖材料504到507變形，達(dá)到與腳底緩沖材料(中內(nèi)側(cè))508和腳底緩沖材料(中外側(cè))509-a和509-b齊平時，機(jī)器人由所有緩沖材料504-509支承著。彈性系數(shù)變大了(也就是說，外力引起的形變變小)。
當(dāng)四個角上的腳底緩沖材料504到507與安排在腳底內(nèi)緣和外緣中間附近上的腳底緩沖材料508-509之間存在高度差時，緩沖材料與地板反作用力之類的負(fù)載之間的形變特性被設(shè)成非線性的。例如，當(dāng)像正常行走那樣，地板反作用力小時，機(jī)器人只由腳底的四個角凸部支承著。當(dāng)響應(yīng)腳底著地施加的沖力，地板反作用力超過預(yù)定值時，機(jī)器人由安排在腳底上所有緩沖材料504-509支承著。腳與地面接觸的特性發(fā)生了改變，從而適當(dāng)?shù)鼗饬藳_力。
對于所使用的具有非線性特性的腳底緩沖材料，在剛與行走表面接觸時，腳底緩沖材料首先開始變形。因此，要求它具有腿夠的緩沖效應(yīng)。隨著形變繼續(xù)進(jìn)行下去，由于非線性特性，單位外加負(fù)載引起的形變減少了，并且，腳不再與可以導(dǎo)致腳不穩(wěn)定的過分形變有關(guān)了。
并且，根據(jù)本實(shí)施例，通過在腳底內(nèi)緣中間附近的腳底緩沖材料508和腳底外緣中間附近的腳底緩沖材料509之間引入不同的個數(shù)，使腳底的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間在彈性方面存在差異。具體地說，如圖37所示，通過把腳底外側(cè)上緩沖材料的個數(shù)設(shè)得多于腳底內(nèi)側(cè)上緩沖材料的個數(shù)，腳底外側(cè)上緩沖材料的彈性系數(shù)被設(shè)成大于腳底內(nèi)側(cè)上緩沖材料的彈性常數(shù)。其結(jié)果是，腳底緩沖材料(外側(cè))509和腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))508的形變在正常行走和沖力施加之間變成非線性的。參照圖38，腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))508在非線性區(qū)中的形變大于腳底緩沖材料(外側(cè))509的形變。
由于這種腳底緩沖材料(外側(cè))509和腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))508的形變特性之間的差異，當(dāng)施加大的沖力時，腳底緩沖材料(內(nèi)側(cè))508陷得較深。其結(jié)果是，安裝在腳座503上的腿部單元(未示出)向內(nèi)，即，朝著機(jī)器人身體的中心方向傾斜。通過向機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)移動機(jī)器人的ZMP位置，即，通過使抬起的那只腿著地，效果作用在擴(kuò)大穩(wěn)定ZMP區(qū)域的方向上。
對于所采用的如圖43到圖46所示的腳底結(jié)構(gòu)，在理想ZMP狀態(tài)空間中，當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，沿著負(fù)方向，即，沿著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向，產(chǎn)生機(jī)器人的動量。隨著地板反作用力越來越大，當(dāng)ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心時，形成的空間形變使機(jī)器人的動量沿著正方向，即，沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動。正如參照圖14、圖20和圖26已經(jīng)討論過的那樣，在單支承階段的前一段、雙支承階段、和單支承階段的后一段的每一個期間，對于小的地板反作用力，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲。隨著地板反作用力越來越大，則反過來，隨著ZMP位置向內(nèi)移向機(jī)器人身體，直立腿向外彎曲，和隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲。其結(jié)果是，機(jī)器人姿勢的穩(wěn)定性和可控制性提高了(也就是說，姿勢控制變得容易了)。
緩沖材料的非線性特性是通過把具有不同彈性系數(shù)的彈性體疊在一起，而不是在緩沖材料的橫斷面上安排一些凸部實(shí)現(xiàn)的。并且，通過改變要使用的緩沖材料的形狀和面積，以及彈性系數(shù)，可以容易地把緩沖材料的形變特性設(shè)得在腳的內(nèi)側(cè)(拱側(cè))與腳的外側(cè)(與拱側(cè)相反的一側(cè))之間是不同的。
根據(jù)本發(fā)明的這個實(shí)施例，借助于本發(fā)明的腳部的獨(dú)特結(jié)構(gòu)把穩(wěn)定空間形變引入ZMP狀態(tài)空間中。因此，應(yīng)該注意到，機(jī)器人身體的姿勢是利用采樣間隔相對長的ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則加以控制的。
C-2.利用腿部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定ZMP狀態(tài)空間的形成這個實(shí)施例涉及利用腿式移動機(jī)器人100的腿部單元的支架結(jié)構(gòu)把空間形變賦予它，以便使機(jī)器人身體的姿勢穩(wěn)定的ZMP狀態(tài)空間。
這個實(shí)施例采用了使左腿單元和右腿單元每一個的內(nèi)側(cè)和外側(cè)在剛度上不同，即，把腿部單元的外側(cè)支架的剛度(尤其在抗彎剛度方面)設(shè)得比腿部單元的內(nèi)側(cè)支架的剛度大的結(jié)構(gòu)。
由于具有這樣結(jié)構(gòu)的腿部單元在ZMP狀態(tài)空間中形成使ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的空間形變，機(jī)器人姿勢的穩(wěn)定性和可控制性提高了(也就是說，姿勢控制變得容易了)。
即使出現(xiàn)意想不到的干擾，通過使機(jī)器人的ZMP位置難以移向機(jī)器人身體的外側(cè)，即，與腳的拱部相反的一側(cè)，機(jī)器人也易于避免跌倒(當(dāng)然，利用機(jī)械結(jié)構(gòu))。
圖47是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的腿式移動機(jī)器人100的左右腿部部分604每一個的放大圖。
如圖所示，腿部單元604包括大腿單元611、小腿單元612、和腳613。
安排在大腿單元611上部附近的是臀關(guān)節(jié)搖晃軸致動器621和臀關(guān)節(jié)俯仰軸致動器622，用于把關(guān)節(jié)自由度賦予與軀干單元601有關(guān)的搖晃軸和俯仰軸。安排在大腿單元611末端附近的是膝關(guān)節(jié)俯仰軸致動器623，用于把關(guān)節(jié)自由度賦予與安排在它下面的小腿單元612有關(guān)的俯仰軸。
大腿單元611的內(nèi)側(cè)，即拱側(cè)由內(nèi)大腿板631支承著。大腿單元611的外側(cè)，即與拱側(cè)相反的那一側(cè)由外大腿板632支承著。大腿單元611的前側(cè)用前大腿板635蓋住。內(nèi)大腿板631和外大腿板632由超硬鋁之類，相對輕質(zhì)但硬的材料制成。
安排在小腿單元612下端的是踝關(guān)節(jié)俯仰軸致動器624，用于提供繞與腳613有關(guān)的俯仰軸的關(guān)節(jié)自由度。
小腿單元612的內(nèi)側(cè)，即拱側(cè)由內(nèi)小腿板633支承著。小腿單元612的外側(cè)，即與拱側(cè)相反的那一側(cè)由外小腿板634支承著。小腿單元612的前側(cè)用前小腿板636蓋住。內(nèi)小腿板633和外小腿板634由超硬鋁之類，相對輕質(zhì)但硬的材料制成。
圖48到圖50是從三個不同角度看過去腿式移動機(jī)器人100的腿部單元的圖形，即腿的外側(cè)視圖(與拱側(cè)相反的那一側(cè))、正視圖和內(nèi)側(cè)視圖(拱側(cè))。
從圖49可以看出，在本實(shí)施例中，外大腿板632比內(nèi)大腿板631厚(即，t1＞t2)。其結(jié)果是，外大腿板632的剛度(尤其是抗彎剛度)較大。類似地，外小腿板634比內(nèi)小腿板633厚。外小腿板634的剛度(尤其是抗彎剛度)也較大。
借助于如圖47到圖50所示的、按照這種方式設(shè)置的腿部單元的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的機(jī)械強(qiáng)度，隨著ZMP位置向外偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使機(jī)器人的動量沿著正方向，即沿著ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的空間形變。正如參照圖14、圖20和圖26已經(jīng)討論過的那樣，在單支承階段的前一段、雙支承階段、和單支承階段的后一段的每一個期間，隨著ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體，直立腿向內(nèi)彎曲。其結(jié)果是，機(jī)器人姿勢的穩(wěn)定性和可控制性提高了?？梢杂孟鄬﹂L的采樣間隔保持機(jī)器人身體的姿勢穩(wěn)定，因此，姿勢控制變得容易了。
就腿部單元604整體來說，它的結(jié)構(gòu)具有外側(cè)比內(nèi)側(cè)大的剛度(尤其是抗彎剛度)。即使出現(xiàn)意想不到的干擾，腿部單元604也可以自然地(即，沒有任何控制)以這樣的方式起作用，致使腿式移動機(jī)器人100的ZMP位置難以移向機(jī)器人身體的外側(cè)，即，難以朝著與腳的拱側(cè)相反的方向移動。
通過把腿部單元604的外側(cè)支架的剛度設(shè)置得比內(nèi)側(cè)支架的剛度大，由于意想不到的干擾而使ZMP位置移向機(jī)器人身體的外側(cè)，即，與拱側(cè)相反的方向的位移量減少了。沿著腿部單元604易于控制的、朝著機(jī)器人身體的內(nèi)側(cè)，即拱側(cè)的方向引導(dǎo)由于干擾引起的ZMP位移。因此，整個機(jī)器人600抵抗干擾的抗干擾能力相當(dāng)大地提高了。
通過把拱側(cè)上的剛度設(shè)置得相對低一些，具有位置控制功能的低成本致動器只進(jìn)行牽涉到低沖力和小振動的腿部轉(zhuǎn)換操作。在行走操作期間的圖像處理變得容易了。其結(jié)果是，可以以非常低的成本生產(chǎn)具有自主功能的雙腿腿式移動機(jī)器人系統(tǒng)或類人機(jī)器人。
為了使腿式移動機(jī)器人100的ZMP位置難以移向外側(cè)，即與拱側(cè)相反的那一側(cè)，最好把腿部單元604外側(cè)的剛度設(shè)置成是腿部單元604內(nèi)側(cè)的剛度的1.2倍。更可取地，最好把腿部單元604外側(cè)的剛度設(shè)置成是腿部單元604內(nèi)側(cè)的剛度的1.5到2倍。
在圖47到圖50所示的實(shí)施例中，通過把側(cè)板631到634的厚度做得不一樣，引入腿部單元604的外側(cè)和內(nèi)側(cè)之間的剛度差。本發(fā)明不限于這種安排。通過把形狀做得不一樣(表面形狀和截面形狀)和利用不同的材料(例如，可以使用彈性系數(shù)不同的材料)來做，也可以達(dá)到相同的效果。
根據(jù)本發(fā)明的這個實(shí)施例，借助于本發(fā)明的腿部單元的獨(dú)特結(jié)構(gòu)把穩(wěn)定空間形變引入ZMP狀態(tài)空間中。因此，應(yīng)該注意到，機(jī)器人身體的姿勢是利用采樣間隔相對長的ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則加以控制的。
D.ZMP狀態(tài)空間的控制系統(tǒng)在這個實(shí)施例中，運(yùn)動控制模塊300把ZMP用作姿勢穩(wěn)定性的確定準(zhǔn)則，計算和處理機(jī)器人身體的姿勢和操作的控制。定義ZMP狀態(tài)空間，根據(jù)ZMP狀態(tài)空間的定義確定穩(wěn)定ZMP位置，然后，控制機(jī)器人身體的姿勢和操作，以便ZMP位置不斷移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心。根據(jù)機(jī)器人與行走表面的接觸狀態(tài)，依次重新定義ZMP狀態(tài)空間，把空間形變賦予ZMP狀態(tài)空間，這樣就可以保持穩(wěn)定的姿勢控制。
在這個部分中，詳細(xì)描述ZMP狀態(tài)空間的控制系統(tǒng)。
圖51是顯示ZMP狀態(tài)空間的控制系統(tǒng)500的功能的功能性方塊圖?？刂葡到y(tǒng)500實(shí)際上是在運(yùn)動控制模塊300中的CPU 311執(zhí)行預(yù)定控制程序的時候具體化的。
如圖所示，ZMP狀態(tài)空間的控制系統(tǒng)500包括ZMP狀態(tài)空間定義單元501和穩(wěn)定點(diǎn)計算單元502。
一旦接收到與機(jī)器人的姿勢有關(guān)的目標(biāo)值和機(jī)器人的狀態(tài)值，ZMP狀態(tài)空間定義單元501就定義ZMP狀態(tài)空間。在定義的ZMP狀態(tài)空間中形成空間形變，以便產(chǎn)生使ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP位置的中心的機(jī)器人動量。
目標(biāo)值可以包括根據(jù)設(shè)計路徑計算出來的每個致動器的、轉(zhuǎn)角、角速度、和角加速度。
例如，ZMP狀態(tài)空間可以通過如下方程來定義。U=Σiαi·T→i+Σiβi·B(θi·n→i)+C·F→zmp+D·ZMP→+ΣiγiB·θ·i·n→+ΣiγiBθ··in→+...]]>此處，矢量T是根據(jù)設(shè)計路徑確定的目標(biāo)值。矩陣B、C和D是用于空間變換的那些矩陣。
上面ZMP狀態(tài)空間的定義式以其最簡形式描述了在B部分中討論的ZMP狀態(tài)空間的概念。上式由線性相加項(xiàng)組成，計算時最好考慮到干擾項(xiàng)。
在這個實(shí)施例中，ZMP狀態(tài)空間定義單元501根據(jù)與行走表面的接觸狀態(tài)，動態(tài)地轉(zhuǎn)換ZMP狀態(tài)空間的定義。例如，腿式移動機(jī)器人在用腿動作中重復(fù)操作階段，譬如，用左腿的單支承階段、左腿著地的的雙支承階段、用右腿的單支承階段、和右腿著地的雙支承階段。與行走表面的接觸狀態(tài)在每個操作階段上都是動態(tài)改變的。通過依次轉(zhuǎn)換ZMP狀態(tài)空間的定義，在ZMP狀態(tài)空間中形成空間形變，以便產(chǎn)生使ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的機(jī)器人動量。
穩(wěn)定點(diǎn)計算單元502通過對ZMP狀態(tài)空間的定義式求二階微分，確定穩(wěn)定ZMP區(qū)域的穩(wěn)定點(diǎn)。根據(jù)計算的穩(wěn)定點(diǎn)形成用于每個致動器的命令值，從而進(jìn)行機(jī)器人身體的伺服控制。其結(jié)果是，獲得將ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的空間形變。
根據(jù)本發(fā)明，機(jī)器人的任何ZMP狀態(tài)空間都是由運(yùn)動控制模塊300中CPU311執(zhí)行的控制程序的描述定義的。
可以把ZMP狀態(tài)空間中的極大點(diǎn)和極小點(diǎn)指定在任何點(diǎn)上。可以在任何時候把ZMP狀態(tài)空間中的極大點(diǎn)和極小點(diǎn)指定在任何點(diǎn)上。取決于腿的支承狀態(tài)，譬如，單支承階段的后一段、雙支承階段、和單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間中的極大點(diǎn)和極小點(diǎn)可以被指定在任何點(diǎn)上。
通過在ZMP狀態(tài)空間中設(shè)置極大點(diǎn)和極小點(diǎn)，可以動態(tài)地生成易于穩(wěn)定控制姿勢的、擁有空間形變的ZMP狀態(tài)空間。
在本發(fā)明的上述實(shí)施例的每一個中，ZMP狀態(tài)空間是利用ZMP位置和地板反作用力定義的。除了ZMP位置和地板反作用力之外，也可以利用施加在機(jī)器人身體上的外力的方向和大小定義ZMP狀態(tài)空間。
附錄上面參照特定的實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明作了討論。但是，顯而易見，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以容易地對這些實(shí)施例進(jìn)行改進(jìn)和改變，而不偏離本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明的主題未必限于被稱為“機(jī)器人”的產(chǎn)品。本發(fā)明同樣可應(yīng)用于通過電磁效應(yīng)模仿人的行為的任何機(jī)器。例如，本發(fā)明可應(yīng)用于其它工業(yè)領(lǐng)域中的產(chǎn)品，諸如玩具等。
本發(fā)明是借助于示范性實(shí)施例來公開的，但是，不應(yīng)該把這些示范性實(shí)施例理解為是對本發(fā)明的范圍的限制。在確定本發(fā)明的范圍時，應(yīng)該參照所附權(quán)利要求書。
工業(yè)可應(yīng)用性本發(fā)明提供了一種在用腿作業(yè)期間，利用所謂的ZMP(零力矩點(diǎn))作為穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行機(jī)器人的姿勢控制的出色腿式移動機(jī)器人及其控制方法。
本發(fā)明還提供了一種利用采樣間隔相對長的ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行機(jī)器人的姿勢控制的出色腿式移動機(jī)器人及其控制方法。
本發(fā)明還提供了一種形成使機(jī)器人能夠在人的生活環(huán)境下，穩(wěn)定地連續(xù)行走的ZMP狀態(tài)空間的出色腿式移動機(jī)器人及其控制方法。
根據(jù)本發(fā)明，利用ZMP位置和地板表面作用在機(jī)器人身體上地板反作用力定義ZMP狀態(tài)空間，根據(jù)ZMP狀態(tài)空間的定義確定穩(wěn)定ZMP位置，和把保持機(jī)器人姿勢穩(wěn)定性的命令發(fā)送到每個可動部件。響應(yīng)與行走表面的接觸狀態(tài)，動態(tài)地控制賦予ZMP狀態(tài)空間的空間形變，和生成機(jī)器人的動量，以便把ZMP位置不斷地移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心。從而，機(jī)器人身體的姿勢控制變得容易了。
本發(fā)明還提供了腿式移動機(jī)器人的可移動腿部單元中的腳部結(jié)構(gòu)，其中腳在著地受到行走表面的沖力被吸收了，要不然被破壞掉的穩(wěn)定機(jī)器人姿勢得到了恢復(fù)或穩(wěn)定姿勢的恢復(fù)變得容易了。
本發(fā)明還提供了一種無需只依賴于機(jī)器人身體的操作控制，容易地保持它的穩(wěn)定姿勢的出色腿式移動機(jī)器人。
本發(fā)明還提供了一種通過提高抵抗橫向干擾的抗干擾能力，容易地保持它的姿勢穩(wěn)定性的出色腿式移動機(jī)器人。
權(quán)利要求
1.一種至少擁有兩只可移動腿的腿式移動機(jī)器人，包括ZMP狀態(tài)空間控制裝置，用于控制通過機(jī)器人身體的俯仰軸力矩和搖晃軸力矩變成零的ZMP位置和地板表面作用在機(jī)器人身體上的地板反作用力定義的ZMP狀態(tài)空間，其中，ZMP狀態(tài)空間控制裝置事先把預(yù)定形變或預(yù)定特性賦予ZMP狀態(tài)空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，ZMP狀態(tài)空間控制裝置事先把形變賦予ZMP狀態(tài)空間，以便隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，在機(jī)器人身體中產(chǎn)生動量，把ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，其中穩(wěn)定ZMP區(qū)域是由可移動腿的腳底的地接觸點(diǎn)和行走表面形成的支承多邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，預(yù)定特性是機(jī)器人的動量的大小或方向隨地板反作用力而改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的腿式移動機(jī)器人，其中，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把機(jī)器人身體的動量設(shè)置成穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近的極小點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的腿式移動機(jī)器人，其中，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把機(jī)器人身體的動量設(shè)置成穩(wěn)定ZMP區(qū)域中心附近的極小點(diǎn)，同時把機(jī)器人身體的動量設(shè)置成穩(wěn)定ZMP區(qū)域邊緣附近的極大點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便機(jī)器人的動量在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中具有極大值，和以便隨著地板反作用力越來越大，機(jī)器人動量的極大值的ZMP位置沿著正方向移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中機(jī)器人的動量在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中的機(jī)器人動量在穩(wěn)定ZMP狀態(tài)空間的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置從機(jī)器人身體向外移動的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中的機(jī)器人動量在穩(wěn)定ZMP狀態(tài)空間的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的負(fù)方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便機(jī)器人的動量在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中具有極大值，和以便隨著地板反作用力越來越大，機(jī)器人動量的極大值的ZMP位置沿著正方向移動。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中機(jī)器人的動量在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制裝置把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，ZMP狀態(tài)空間控制裝置是每只可移動腿的腳部結(jié)構(gòu)，腳部結(jié)構(gòu)包括腳座，具有通常是平面的結(jié)構(gòu)；腳墊，位于腳座的腳底上，具有非簡諧特性，剛開始時，形變相對較大，隨后，形變相對較小；和腳踝連接單元，位于腳座上表面的中央附近，用于將腳座與腿式移動機(jī)器人的可移動腿連接在一起。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式移動機(jī)器人，其中，ZMP狀態(tài)空間控制裝置是每只可移動腿的腿部結(jié)構(gòu)，腿部結(jié)構(gòu)包括至少一個關(guān)節(jié)致動器、用于實(shí)現(xiàn)可移動腿上的自由度；具有第一剛度的內(nèi)側(cè)支承體，用于支承在腿式移動機(jī)器人身體內(nèi)側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器；和具有第二剛度的外側(cè)支承體，用于支承在腿式移動機(jī)器人身體外側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器，第二剛度比第一剛度相對大一些。
20.一種用于至少含有數(shù)只可移動腿的腿式移動機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，該腳部結(jié)構(gòu)包括腳座，具有通常是平面的結(jié)構(gòu)；腳墊，位于腳座的腳底上，具有非簡諧特性，剛開始時，形變相對較大，隨后，形變相對較??；和腳踝連接單元，位于腳座上表面的中央附近，用于將腳座與腿式移動機(jī)器人的可移動腿連接在一起。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于腿式移動機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，其中，腳墊由至少兩種布置在腳座的腳底上的預(yù)定位置上的緩沖材料構(gòu)成，其中，緩沖材料的高度是不同的。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于腿式移動機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，其中，緩沖材料位于腳座的腳底的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于腿式移動機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，其中，緩沖材料位于腳座的腳底的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，和其中，位于外側(cè)的緩沖材料在剛度上要高于位于內(nèi)側(cè)的緩沖材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于腿式移動機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，其中，繞腿式移動機(jī)器人的搖晃軸的剛度被設(shè)得比繞腿式移動機(jī)器人的俯仰軸的剛度高。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于腿式移動機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，其中，通過在腳座的上表面和/或腳底的預(yù)定位置上形成一些凹部，把繞腿式移動機(jī)器人的搖晃軸的剛度設(shè)得比繞腿式移動機(jī)器人的俯仰軸的剛度高。
26.一種至少包括進(jìn)行雙腿作業(yè)的一對左右可移動腿部單元的腿式移動機(jī)器人，該可移動腿部單元包括至少一個關(guān)節(jié)致動器、用于實(shí)現(xiàn)可移動腿上的自由度；具有第一剛度的內(nèi)側(cè)支承體，用于支承在腿式移動機(jī)器人身體內(nèi)側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器；和具有第二剛度的外側(cè)支承體，用于支承在腿式移動機(jī)器人身體外側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器，其中，第二剛度比第一剛度相對大一些。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的腿式移動機(jī)器人，其中，就抗彎剛度而言，第二剛度高達(dá)第一剛度的1.2倍。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的腿式移動機(jī)器人，其中，第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過把內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體的厚度做得不一樣來實(shí)現(xiàn)。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的腿式移動機(jī)器人，其中，第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過把內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體的形狀做得不一樣來實(shí)現(xiàn)。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的腿式移動機(jī)器人，其中，第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過分別用機(jī)械強(qiáng)度不同的材料制成內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體來實(shí)現(xiàn)。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的腿式移動機(jī)器人，其中，可移動腿的關(guān)節(jié)的自由度至少包括繞臀部搖晃軸的自由度和繞膝部搖晃軸的自由度。
32.一種左右成對地用在進(jìn)行用腿作業(yè)的腿式移動機(jī)器人中的可移動腿部單元，該可移動腿部單元包括至少一個關(guān)節(jié)致動器，用于實(shí)現(xiàn)可移動腿上的自由度；具有第一剛度的內(nèi)側(cè)支承體，用于支承在腿式移動機(jī)器人身體內(nèi)側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器；和具有第二剛度的外側(cè)支承體，用于支承在腿式移動機(jī)器人身體外側(cè)上的關(guān)節(jié)致動器，第二剛度比第一剛度相對大一些。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的用于腿式移動機(jī)器人的可移動腿部單元，其中，就抗彎剛度而言，第二剛度高達(dá)第一剛度的1.2倍。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的用于腿式移動機(jī)器人的可移動腿部單元，其中，第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過把內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體的厚度做得不一樣來實(shí)現(xiàn)。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的用于腿式移動機(jī)器人的可移動腿部單元，其中，第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過把內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體的形狀做得不一樣來實(shí)現(xiàn)。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的用于腿式移動機(jī)器人的可移動腿部單元，其中，第一剛度與第二剛度之間的差異可以通過分別用機(jī)械強(qiáng)度不同的材料制成內(nèi)側(cè)支承體和外側(cè)支承體來實(shí)現(xiàn)。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的用于腿式移動機(jī)器人的可移動腿部單元，其中，可移動腿的關(guān)節(jié)的自由度至少包括繞臀部搖晃軸的自由度和繞膝部搖晃軸的自由度。
38.一種用于控制至少擁有兩只可移動腿的腿式移動機(jī)器人的方法，該方法包括ZMP狀態(tài)空間控制步驟，用于控制通過機(jī)器人身體的俯仰軸力矩和搖晃軸力矩變成零的ZMP位置和地板表面作用在機(jī)器人身體上的地板反作用力定義的ZMP狀態(tài)空間，其中，ZMP狀態(tài)空間控制步驟事先把預(yù)定形變或預(yù)定特性賦予ZMP狀態(tài)空間。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，ZMP狀態(tài)空間控制步驟事先把形變賦予ZMP狀態(tài)空間，以便隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，在機(jī)器人身體中產(chǎn)生動量，把ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，其中穩(wěn)定ZMP區(qū)域是由可移動腿的腳底的地接觸點(diǎn)和行走表面形成的支承多邊形。
40.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，預(yù)定特性是機(jī)器人的動量的大小或方向隨地板反作用力而改變。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把機(jī)器人身體的動量設(shè)置成穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近的極小點(diǎn)。
42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把機(jī)器人身體的動量設(shè)置成穩(wěn)定ZMP區(qū)域中心附近的極小點(diǎn)，同時把機(jī)器人身體的動量設(shè)置成穩(wěn)定ZMP區(qū)域邊緣附近的極大點(diǎn)。
43.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便機(jī)器人的動量在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中具有極大值，和以便隨著地板反作用力越來越大，機(jī)器人動量的極大值的ZMP位置沿著正方向移動。
44.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中機(jī)器人的動量在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
45.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
46.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在單支承階段的后一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
47.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中的機(jī)器人動量在穩(wěn)定ZMP狀態(tài)空間的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
48.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置從機(jī)器人身體向外移動的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中的機(jī)器人動量在穩(wěn)定ZMP狀態(tài)空間的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
49.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
50.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在雙支承階段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
51.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的負(fù)方向是ZMP位置向外偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便機(jī)器人的動量在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中具有極大值，和以便隨著地板反作用力越來越大，機(jī)器人動量的極大值的ZMP位置沿著正方向移動。
52.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在由第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸組成的ZMP狀態(tài)空間中，第一坐標(biāo)軸的正方向是ZMP位置向前偏離機(jī)器人身體的方向，和第二坐標(biāo)軸的正方向是機(jī)器人的動量使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的方向，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便在ZMP狀態(tài)空間的負(fù)區(qū)域中機(jī)器人的動量在穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近具有極大值，和以便機(jī)器人動量的改變隨著地板反作用力增大而減少。
53.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予直立腿，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
54.根據(jù)權(quán)利要求38所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，在與運(yùn)動方向垂直的方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量，和其中，在運(yùn)動方向中，在單支承階段的前一段，ZMP狀態(tài)空間控制步驟把空間形變賦予軀干單元，以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧πr，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置沿著偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心的方向移動的機(jī)器人動量，和以便當(dāng)?shù)匕宸醋饔昧υ絹碓酱髸r，隨著ZMP位置偏離穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心，產(chǎn)生使ZMP位置朝著穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心移動的機(jī)器人動量。
55.一種用于控制至少擁有兩只可移動腿的腿式移動機(jī)器人的方法，該方法包括通過機(jī)器人身體的俯仰軸力矩和搖晃軸力矩變成零的ZMP位置和通過地板表面作用在機(jī)器人身體上的地板反作用力定義ZMP狀態(tài)空間的步驟；根據(jù)ZMP狀態(tài)空間的定義確定穩(wěn)定ZMP位置的步驟；和根據(jù)確定的穩(wěn)定ZMP位置控制機(jī)器人身體的操作的步驟。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，還包括根據(jù)腿式移動機(jī)器人與行走表面之間的接觸狀態(tài)，修改ZMP狀態(tài)空間的定義的步驟。
57.根據(jù)權(quán)利要求55所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，定義ZMP狀態(tài)空間的步驟在ZMP狀態(tài)空間中的任何點(diǎn)上指定極大點(diǎn)和/或極小點(diǎn)。
58.根據(jù)權(quán)利要求55所述的用于控制腿式移動機(jī)器人的方法，其中，定義ZMP狀態(tài)空間的步驟在任何時候，在ZMP狀態(tài)空間中的任何點(diǎn)上指定極大點(diǎn)和/或極小點(diǎn)。
59.根據(jù)權(quán)利要求55所述的用于控制腿式移畫機(jī)器人的方法，其中，定義ZMP關(guān)態(tài)空間的步驟根據(jù)腿的支承狀態(tài)，在ZMP狀態(tài)空間中的任何點(diǎn)上指定極大點(diǎn)和/或極小點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明的腿式移動機(jī)器人利用采樣間隔相對長的ZMP穩(wěn)定性確定準(zhǔn)則，以穩(wěn)定方式控制身體的姿勢。腿式移動機(jī)器人擁有作為由可移動腿的腳底的地接觸點(diǎn)和行走表面組成的支承多邊形的穩(wěn)定ZMP區(qū)域、和其中產(chǎn)生機(jī)器人身體的動量，以便使ZMP位置移向穩(wěn)定ZMP區(qū)域的中心附近的ZMP狀態(tài)空間。在ZMP狀態(tài)空間中，機(jī)器人的動量沿著正方向或負(fù)方向移動。在負(fù)方向中，空間形變使ZMP移向穩(wěn)定區(qū)域的邊緣，和在正方向中，空間形變使ZMP移向穩(wěn)定區(qū)域的中心。
文檔編號G06N3/00GK1407922SQ01805947
公開日2003年4月2日 申請日期2001年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月17日
發(fā)明者森直人, 服部裕一, 山口仁一 申請人:索尼公司, 山口仁一