專(zhuān)利名稱(chēng)：有腿可移動(dòng)機(jī)器人及其控制方法和相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及至少具有多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，特別涉及能夠在各種路面上行走或者使用其可移動(dòng)的腿執(zhí)行各種動(dòng)作(運(yùn)動(dòng))的有腿可移動(dòng)機(jī)器人。更具體地說(shuō)，涉及能夠在路面狀況未知的各種路面上行走或者使用其可移動(dòng)的腿執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，以及根據(jù)主流路面條件執(zhí)行自適應(yīng)的用腿運(yùn)動(dòng)操作的有腿可移動(dòng)機(jī)器人。
背景技術(shù)：
將使用電或磁操作來(lái)執(zhí)行模仿人的運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置稱(chēng)作“機(jī)器人”。術(shù)語(yǔ)機(jī)器人的詞源據(jù)說(shuō)源自斯拉夫語(yǔ)系的“ROBOTA”(從動(dòng)機(jī))。機(jī)器人開(kāi)始廣泛應(yīng)用始自60年代末。過(guò)去所使用的大多數(shù)機(jī)器人是工業(yè)用機(jī)器人，比如機(jī)械手或運(yùn)輸機(jī)器人，其目標(biāo)是在工廠操作中的自動(dòng)化或執(zhí)行無(wú)人化操作。
安裝在固定位置并使用的站立型機(jī)器人，比如機(jī)械臂機(jī)器人，僅在固定的或局部工作空間中操作，比如用于裝配或歸類(lèi)元件部件。另一方面，可移動(dòng)機(jī)器人并不僅被限制于工作空間，而是可以在預(yù)設(shè)或未限定的通路上以不受限制的方式移動(dòng)，以便執(zhí)行替代人工操作者的操作，或者替代人、狗或其它生命體提供各種服務(wù)。有腿可移動(dòng)機(jī)器人與爬行類(lèi)或輪箍型機(jī)器人相比，雖然不穩(wěn)定并難以控制其方向或行走，但是在上下梯子或樓梯、跨越障礙物、或者在平整或不平整的土地上行走或者跑動(dòng)等方面卻是高手。
近年來(lái)，在有腿可移動(dòng)機(jī)器人方面的研究和開(kāi)發(fā)，包括模仿比如象狗或貓之類(lèi)的四足動(dòng)物的身體機(jī)理或運(yùn)動(dòng)的寵物型機(jī)器人、或者模仿比如象人類(lèi)的可直立并用腳走路的動(dòng)物的身體機(jī)理或運(yùn)動(dòng)的所謂人性機(jī)器人，已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，并可以預(yù)期實(shí)際利用這些寵物機(jī)器人。
有腿可移動(dòng)機(jī)器人，術(shù)語(yǔ)為人性化機(jī)器人，其研究和開(kāi)發(fā)的顯著特點(diǎn)例如可以從下面兩點(diǎn)領(lǐng)會(huì)。
一點(diǎn)是人類(lèi)科學(xué)。也就是說(shuō)，包括行走在內(nèi)的人類(lèi)自然運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，可以通過(guò)創(chuàng)建具有類(lèi)似于人類(lèi)的腿和/或腳結(jié)構(gòu)的機(jī)器人、并設(shè)計(jì)其控制方法以模仿人類(lèi)運(yùn)動(dòng)的處理過(guò)程，來(lái)科學(xué)地加以闡述。這些研究成果可以反饋到處理人類(lèi)運(yùn)動(dòng)機(jī)理的各個(gè)研究領(lǐng)域，比如人類(lèi)工程學(xué)、康復(fù)工程學(xué)、或體育科學(xué)領(lǐng)域。
另一點(diǎn)是實(shí)際應(yīng)用機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，其作為伙伴支持人類(lèi)的生活，也就是說(shuō)，比如在生活環(huán)境中在日常生活的各個(gè)方面支持人類(lèi)活動(dòng)。對(duì)于這種類(lèi)型的機(jī)器人，當(dāng)人教育機(jī)器人以使其在功能上取得進(jìn)步時(shí)，它必須學(xué)習(xí)適應(yīng)不同個(gè)性的人和不同環(huán)境的方法。如果機(jī)器人具有“人性化”，即，具有和人相同的形式和結(jié)構(gòu)，則可以推測(cè)人類(lèi)和機(jī)器人之間的交流將變得更為容易。
例如，如果教會(huì)機(jī)器人規(guī)避它本來(lái)不應(yīng)踐踏的障礙物的通過(guò)小屋的技術(shù)，則在機(jī)器人是靠?jī)蓷l腿行走的機(jī)器人的情況下用戶(操作者)教導(dǎo)它，將遠(yuǎn)比在機(jī)器人具有與練習(xí)機(jī)完全不同的結(jié)構(gòu)的情況下、如在爬行類(lèi)或四足型機(jī)器人的情況下要容易的多。相似地，該機(jī)器人將更容易學(xué)會(huì)。關(guān)于該方面，請(qǐng)參見(jiàn)日本自動(dòng)車(chē)技術(shù)協(xié)會(huì)關(guān)東分會(huì)<KOSO>1996年4月第25期中的“用兩條腿行走的機(jī)器人的控制”(“Control of Robots Walking on Two Feet”ofAutomobile Technical Association of Japan，Kanto Branch，<KOSO>，No.25，April 1996)。
人類(lèi)工作空間和生活空間的構(gòu)成大部分適合于直立并靠?jī)蓷l腿行走的人類(lèi)的身體機(jī)理或行為模式。從其它方面來(lái)看，在人類(lèi)的生活空間中存在太多的障礙物，這是由于當(dāng)前技術(shù)水平的機(jī)械系統(tǒng)中包含作為運(yùn)動(dòng)部件的輪子或其它驅(qū)動(dòng)設(shè)備。為便于機(jī)械系統(tǒng)，也就是機(jī)器人在各種人類(lèi)活動(dòng)中支持或當(dāng)作人、以及使其自身更加深入到人類(lèi)的生活空間中，希望機(jī)器人的活動(dòng)范圍與人類(lèi)的活動(dòng)范圍大致相當(dāng)。這就是為什么期望開(kāi)發(fā)實(shí)際應(yīng)用的有腿可移動(dòng)機(jī)器人。人體結(jié)構(gòu)型的機(jī)器人可以說(shuō)是相對(duì)獨(dú)立的，以便機(jī)器人自己更容易地適應(yīng)人類(lèi)的生活環(huán)境。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)使用兩條腿執(zhí)行有腿運(yùn)動(dòng)類(lèi)型的機(jī)器人的方向控制或穩(wěn)定行走，已經(jīng)提出多種方案。穩(wěn)定“行走”在此指的是“用腳運(yùn)動(dòng)而不會(huì)摔倒”。
穩(wěn)定的方向控制對(duì)于機(jī)器人避免摔倒(leveling)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。其原因在于摔倒意味著打斷機(jī)器人正在執(zhí)行的操作，并且直到機(jī)器人自己從摔倒?fàn)顟B(tài)直立起來(lái)以重新啟動(dòng)操作，需要花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間和體力，而且更為重要的是，摔倒不僅對(duì)機(jī)器人造成致命的損壞，而且對(duì)機(jī)器人所撞擊的物體造成致命損壞。因此，在行走期間穩(wěn)定的方向控制和防止摔倒對(duì)于有腿可移動(dòng)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)工程是至關(guān)重要的。
在行走期間，由于重力和行走運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度，重力及其慣性力從行走系統(tǒng)施加到路面。根據(jù)“達(dá)郎貝奇原理(d’Alembert’s principle)”，這些由地面的反作用力平衡，作為地面對(duì)行走系統(tǒng)的反作用力，也就是地面的反作用力矩。力學(xué)推論的結(jié)果認(rèn)為，在由腳底與地面和路面的接觸點(diǎn)分隔的支撐多邊形上或其內(nèi)側(cè)存在零力矩點(diǎn)(zero moment point，ZMP)。
迄今為止用于防止有腿可移動(dòng)機(jī)器人摔倒的大多數(shù)方案使用該ZMP作為判斷行走穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。從ZMP標(biāo)準(zhǔn)演化產(chǎn)生的用兩條腿行走的模式具有如下優(yōu)點(diǎn)，即，可以事先設(shè)置腳底的觸地點(diǎn)，以便能夠更加方便地考慮到使腳端的動(dòng)態(tài)限制條件符合路面情況。此外，使用該ZMP作為校驗(yàn)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)意味著在運(yùn)動(dòng)控制中不是將力、而是將軌跡作為目標(biāo)值來(lái)處理，因此增強(qiáng)了技術(shù)可行性。另外，ZMP的原理和使用該ZMP作為判斷機(jī)器人行走穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)參見(jiàn)Miomir Vukobratovic的“Legged Locomotion Robots(有腿運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人)”(Ichiro KATO，“Walking Robots and Artificial Legs(行走機(jī)器人和人造腿)”，Nikkan Kogyo Shimbun KK出版)。
但是，有腿可移動(dòng)機(jī)器人僅僅從研究階段邁出了一步，還有許多技術(shù)問(wèn)題尚待解決。例如，明顯影響腿行走的路面狀態(tài)、特別是地面是否平坦或者摩擦系數(shù)還沒(méi)有充分探討。
通常，有腿可移動(dòng)機(jī)器人按照計(jì)劃執(zhí)行行走運(yùn)動(dòng)。在日本待審專(zhuān)利申請(qǐng)第S-62-97006號(hào)中公開(kāi)了一種多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人控制設(shè)備，其中使用預(yù)先存儲(chǔ)的行走模式數(shù)據(jù)以簡(jiǎn)化控制程序，并且其中各個(gè)行走模式數(shù)據(jù)可以密切鏈接。但是，在實(shí)際行走中，經(jīng)常發(fā)生路面和腳底之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，比如打滑，這是由于與路面的關(guān)系、或其他因素引起的，比如來(lái)自側(cè)面的風(fēng)或外力、或者與未知的障礙物發(fā)生沖突。
兩條腿的機(jī)器人、比如人性化的機(jī)器人，比起四條腿的機(jī)器人，其重力的中心點(diǎn)要高，并且限定行走的ZMP穩(wěn)定性區(qū)域要窄。因此，由于路面狀態(tài)變化引起的各方面問(wèn)題在兩條腿的可移動(dòng)機(jī)器人情況下尤為嚴(yán)重。
圖1至4示出有腿可移動(dòng)機(jī)器人2000如何靠?jī)蓷l腿執(zhí)行行走。如圖所示，有腿可移動(dòng)機(jī)器人2000能夠通過(guò)重復(fù)每一個(gè)包括下述運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔的行走周期實(shí)現(xiàn)用兩條腿行走。
(1)機(jī)器人由左腿2002支撐而右腿2001抬起的時(shí)間段(圖1)；(2)機(jī)器人的右腳2003觸地、兩條腿均置于地板上的時(shí)間段(圖2)；(3)左腿2002抬起、機(jī)器人僅由右腿2001支撐的時(shí)間段(圖3)；和(4)機(jī)器人的左腳2004觸地、兩條腿均置于地板上的時(shí)間段(圖4)。
在機(jī)器人行走控制中，在每一個(gè)上述的時(shí)間段中事先測(cè)量下肢的目標(biāo)軌跡并校正計(jì)劃軌跡。例如，在兩條腿支撐機(jī)器人的時(shí)間段，暫停使用路面信息校正下肢軌跡，而將關(guān)于計(jì)劃軌跡的總校正量用于校正機(jī)器人的腰部到預(yù)設(shè)值。在機(jī)器人由一條腿支撐的時(shí)間段，生成的校正軌跡將恢復(fù)已校正一側(cè)的腳踝和腰部之間的相對(duì)位置到計(jì)劃的軌跡。更具體的校正由5階多項(xiàng)式完成，以便使用于減少相對(duì)于ZMP的偏差的位置、速度和加速度連續(xù)(參見(jiàn)Takanishi，“Control of Two-Legged Robot(兩條腿機(jī)器人的控制)”，日本自動(dòng)車(chē)技術(shù)協(xié)會(huì)關(guān)東分會(huì)<KOSO>(Automobile Technical Association of Japan，Kanto Branch，<KOSO>)，1996年4月第25期)。
在路面關(guān)于腳底相對(duì)移動(dòng)(滑動(dòng))的情況下，考察圖1所示靠單條腿支撐的時(shí)間段。在兩條腿的可移動(dòng)機(jī)器人2000中，希望計(jì)劃的軌跡在直立的單條腿接觸路面的時(shí)間段內(nèi)，不會(huì)發(fā)生直立腿相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))。
圖5示出在直立的左腿2002接觸路面的時(shí)間段內(nèi)，左腳2004相對(duì)于路面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))的狀態(tài)。如圖所示，機(jī)器人2000的左腳2004在前進(jìn)方向(滾動(dòng)軸方向)上相對(duì)移動(dòng)ΔX，在垂直前進(jìn)方向(傾斜軸方向)上移動(dòng)ΔY。也就是說(shuō)，由于左腿計(jì)劃完全接觸路面，因此在計(jì)劃的或意圖的軌跡和機(jī)器人的實(shí)際軌跡之間產(chǎn)生偏差(ΔX，ΔY)。
在直立的單條腿接觸路面的時(shí)間段內(nèi)，需要生成校正軌跡，以便校正的腳和腰的相對(duì)位置恢復(fù)到計(jì)劃軌跡。但是，使用在機(jī)器人上按照標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目加載的檢測(cè)系統(tǒng)，比如加速度傳感器或通過(guò)攝像機(jī)的視覺(jué)，測(cè)量相對(duì)于路面的運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))以便校正值極其困難。結(jié)果是機(jī)器人不可能正確地和迅速地校正軌跡，由此可能導(dǎo)致忽略該相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一直到與計(jì)劃軌跡的差異增加到相當(dāng)可觀的程度。計(jì)劃軌跡和實(shí)際軌跡之間的差異可能導(dǎo)致穩(wěn)定方向控制的失敗或應(yīng)該避免的與障礙物的沖撞，因此經(jīng)常導(dǎo)致機(jī)器人摔倒或機(jī)器人及其附近物體的損壞。
圖6示出在直立的左腿2002接觸路面的時(shí)間段內(nèi)，左腳2004相對(duì)于路面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))的狀態(tài)，其中左腳2004繞著路面的法線或者從路面得出的法線(偏轉(zhuǎn)軸)旋轉(zhuǎn)。如圖所示，機(jī)器人2000的左腳2004相對(duì)于路面法線已經(jīng)旋轉(zhuǎn)Δθ。也就是說(shuō)，由于左腳2004計(jì)劃完全接觸路面，因此在計(jì)劃的或意圖的軌跡和機(jī)器人2000的實(shí)際軌跡之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)偏差Δθ。
使用在機(jī)器人上按照標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目加載的檢測(cè)系統(tǒng)，比如陀螺儀傳感器或通過(guò)攝像機(jī)的視覺(jué)，檢測(cè)到該旋轉(zhuǎn)偏差的準(zhǔn)確值將極其困難。該繞著路面法線的偏差將影響機(jī)器人的前進(jìn)方向，連續(xù)的行走操作可能會(huì)導(dǎo)致明顯的軌跡偏差。
通常，當(dāng)各條腿2003、2004產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些運(yùn)動(dòng)常常產(chǎn)生為平行于圖5所示路面的平面內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的合成、以及那些繞著圖6所示的從路面得出的法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使行走的負(fù)面效應(yīng)增強(qiáng)。
有鑒于此，可以使用用于感知作用在機(jī)器人腿上的力的軸向力傳感器測(cè)量來(lái)自路面的反作用力，以消除相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))的效應(yīng)。但是完全消除該負(fù)面效應(yīng)將極其困難。
可以考慮通過(guò)陀螺儀傳感器或加速度傳感器、或者使用比如攝像機(jī)的視覺(jué)傳感器測(cè)量機(jī)器人自身的方向，以便測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))的效應(yīng)，或者將結(jié)果反饋到隨后的軌跡計(jì)劃。但是，這些測(cè)量經(jīng)常導(dǎo)致測(cè)量精度或響應(yīng)速度的問(wèn)題。在機(jī)器人的目的是在各種變化的路面上行走的情況下，該任何情況下不允許相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))的行走實(shí)際上是不可能的，而且從運(yùn)動(dòng)速度的觀點(diǎn)來(lái)看，消除滑動(dòng)的方法并不具有優(yōu)越性。
如果保持如下看法，即，有腿可移動(dòng)機(jī)器人行走時(shí)，在腿上不可避免地產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))，則可以考慮容許相對(duì)運(yùn)動(dòng)并在積極開(kāi)發(fā)滑動(dòng)應(yīng)用的同時(shí)量化、分析和管理滑動(dòng)的行走處理過(guò)程。
當(dāng)人行走時(shí)，會(huì)經(jīng)常發(fā)生路面和腳底之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))。因此，為了實(shí)現(xiàn)有腿可移動(dòng)機(jī)器人的各種不同行走模式，需要積極地將相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))考慮到軌跡計(jì)劃中，并進(jìn)一步執(zhí)行軌跡校正。對(duì)于此，能夠識(shí)別或測(cè)量各條腿相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))，對(duì)于使用腿執(zhí)行操作的機(jī)器人來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。
在傳統(tǒng)的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的腳上配置的大多數(shù)傳感器測(cè)量來(lái)自路面的反作用力或到路面的距離。換句話說(shuō)，用于測(cè)量或識(shí)別相應(yīng)于各條腿相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))、比如在平行于路面的平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)或繞著從路面得出的法線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)的物理量的部件，迄今為止還沒(méi)有在機(jī)器人中應(yīng)用。為了在有腿可移動(dòng)機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)所謂的腳底知覺(jué)，可以認(rèn)為，檢測(cè)并量化各條腿相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))是至關(guān)重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠在各種路面上行走、并能夠使用可移動(dòng)的腿靠腳執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)操作的有腿可移動(dòng)機(jī)器人。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能夠在變化的路面上使用可移動(dòng)的腿靠腳執(zhí)行行走或其它操作的有腿可移動(dòng)機(jī)器人。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種能夠根據(jù)主流路面狀況靠腳執(zhí)行自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)操作的有腿可移動(dòng)機(jī)器人。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種能夠執(zhí)行比如校正計(jì)劃軌跡之類(lèi)的自適應(yīng)操作控制的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，它識(shí)別或測(cè)量各條腿相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種能夠執(zhí)行有腿可移動(dòng)機(jī)器人的自適應(yīng)操作控制的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，比如通過(guò)識(shí)別或測(cè)量各條腿相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)校正計(jì)劃軌跡。
為了實(shí)現(xiàn)這些目的，本發(fā)明提供一種至少具有多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，包括安置在每一條可移動(dòng)腿的腳底上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，用于測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量；以及控制器，用于根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器所測(cè)量的腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器最好測(cè)量腳部相對(duì)于與路面平行的方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，和/或腳部繞著路面的法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器最好包括可旋轉(zhuǎn)裝配的球，其表面部分暴露在腳底外面；第一旋轉(zhuǎn)單元，用于檢測(cè)該球在第一方向上的旋轉(zhuǎn)；第二旋轉(zhuǎn)單元，用于檢測(cè)該球在第二方向上的旋轉(zhuǎn)；以及計(jì)算單元，用于計(jì)算在第一和第二方向上腳部相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
另外，相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器包括成像部件，用于對(duì)腳部的觸地面成像；圖像處理部件，用于以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔比較由成像部件拍攝的圖像；以及計(jì)算部件，用于根據(jù)圖像處理部件的圖像比較結(jié)果，以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔計(jì)算腳部相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
如果相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器能夠測(cè)量腳部在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，則繞著路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量可以通過(guò)將以預(yù)設(shè)時(shí)間間隔測(cè)量的腳部在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量順序地連接來(lái)計(jì)算。
在每一個(gè)腳部可以配置彼此隔開(kāi)的兩個(gè)或多個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，在這種情況下，將多個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器的測(cè)量結(jié)果相互進(jìn)行比較，以計(jì)算腳部繞路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
在路面上運(yùn)動(dòng)期間，控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，可以暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)。
在暫停運(yùn)動(dòng)操作之后，可以作出是否進(jìn)一步繼續(xù)運(yùn)動(dòng)操作的決定。當(dāng)證實(shí)運(yùn)動(dòng)操作不能進(jìn)一步繼續(xù)時(shí)，可以執(zhí)行預(yù)設(shè)的幫助請(qǐng)求操作。幫助請(qǐng)求可以通過(guò)發(fā)出語(yǔ)音或通過(guò)無(wú)線通信呼叫附近用戶進(jìn)行。另外，路面狀況可以搜索，并響應(yīng)搜索結(jié)果執(zhí)行動(dòng)作。
在路面上運(yùn)動(dòng)期間，控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，也可以轉(zhuǎn)換為用于該路面的安全運(yùn)動(dòng)操作模式。這里的安全運(yùn)動(dòng)操作模式可以包括擴(kuò)大腳部接觸路面的傾角、降低運(yùn)動(dòng)速度、減小每一條可移動(dòng)腿的步幅、以及校正ZMP軌跡。
在路面上行走期間，控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，也可以轉(zhuǎn)換為所搜索的路面狀況下的運(yùn)動(dòng)操作。
本發(fā)明還包括一種用于控制至少具有多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，包括測(cè)量步驟，用于當(dāng)各條可移動(dòng)腿接觸地面時(shí)測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量；以及控制步驟，用于根據(jù)所測(cè)量的腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明，測(cè)量步驟測(cè)量腳部相對(duì)于與路面平行的方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，和/或腳部繞著路面的法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
如果測(cè)量單元能夠測(cè)量腳部在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，則可以配置計(jì)算步驟，用于通過(guò)將以預(yù)設(shè)時(shí)間間隔在測(cè)量步驟中所測(cè)量的、腳部在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量順序地連接，計(jì)算繞著路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
另外，測(cè)量步驟可以包括計(jì)算步驟，用于在兩個(gè)或多個(gè)彼此隔開(kāi)的點(diǎn)上測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量、并將在兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)上測(cè)量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量相互進(jìn)行比較，以計(jì)算腳部繞路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
在控制步驟中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，可以暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)。
在暫停運(yùn)動(dòng)操作之后，也可以驗(yàn)證是否能夠進(jìn)一步繼續(xù)運(yùn)動(dòng)操作。如果發(fā)現(xiàn)不可能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)操作，則也可以執(zhí)行預(yù)設(shè)的幫助請(qǐng)求操作。幫助請(qǐng)求可以包括發(fā)出語(yǔ)音或通過(guò)無(wú)線通信呼叫附近用戶。
在路面上運(yùn)動(dòng)期間，控制步驟響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，可以暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)以便搜索路面狀況?？刂撇襟E可以執(zhí)行響應(yīng)搜索結(jié)果的行為。
在路面上運(yùn)動(dòng)期間，控制步驟響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，也可以轉(zhuǎn)換為用于該路面的安全運(yùn)動(dòng)操作模式。安全運(yùn)動(dòng)操作模式可以至少是擴(kuò)大腳部接觸路面的傾角、降低運(yùn)動(dòng)速度、減小每一條可移動(dòng)腿的步幅、以及校正ZMP軌跡中的一種。
在路面上行走期間，控制步驟也可以轉(zhuǎn)換為響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值的運(yùn)動(dòng)操作。在路面上行走期間，響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，控制器可以執(zhí)行選擇適合于該路面的腳底的處理過(guò)程。
本發(fā)明還提供一種用于有腿可移動(dòng)機(jī)器人的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，用于測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，該傳感器可用于至少包括多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的腳部，其中所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器包括可旋轉(zhuǎn)裝配的球，其表面部分暴露在腳底外面；第一旋轉(zhuǎn)單元，用于檢測(cè)該球在第一方向上的旋轉(zhuǎn)；第二旋轉(zhuǎn)單元，用于檢測(cè)該球在第二方向上的旋轉(zhuǎn)；以及計(jì)算單元，用于計(jì)算在第一和第二方向上腳部相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
本發(fā)明還提供一種用于有腿可移動(dòng)機(jī)器人的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，用于測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，該傳感器可用于至少包括多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的腳部，其中所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器包括成像部件，用于對(duì)腳部的觸地面成像；圖像處理部件，用于以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔比較由成像部件拍攝的圖像；以及計(jì)算部件，用于根據(jù)圖像處理部件的圖像比較結(jié)果，以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔計(jì)算腳部相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器人使用多條可移動(dòng)腿能夠靠腿執(zhí)行各種不同的運(yùn)動(dòng)操作，比如行走。例如，按照打算的或計(jì)劃的下肢軌跡方案，通過(guò)左右腿重復(fù)執(zhí)行用左右腿中的一條支撐機(jī)器人、和用兩條腿支撐機(jī)器人的操作，可以實(shí)現(xiàn)用兩條腿行走。在用一條腿或兩條腿支撐機(jī)器人的時(shí)間段期間，根據(jù)路面信息或者腳踝和腰部的相對(duì)位置，可以校正計(jì)劃軌跡，或者可以生成校正的軌跡，以便恢復(fù)計(jì)劃軌跡。
在用腿直立的機(jī)器人的操作期間，經(jīng)常發(fā)生可能出現(xiàn)在直立或觸地的腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，比如滑動(dòng)。該相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能引起機(jī)器人的實(shí)際軌跡偏離計(jì)劃軌跡，從而導(dǎo)致機(jī)器人摔倒或與障礙物發(fā)生沖撞。因此，需要準(zhǔn)確地測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，并通過(guò)執(zhí)行自適應(yīng)控制由機(jī)器人實(shí)施的操作，根據(jù)所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)量校正計(jì)劃軌跡。
鑒于上述目的，對(duì)于本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，除了用于確認(rèn)腳部和路面之間的觸地狀態(tài)的路面接觸傳感器之外，每一條可移動(dòng)腿的腳部(腳板或腳底)配置有路面和觸地腿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，從而確保即使產(chǎn)生與打算的或計(jì)劃的軌跡之間的偏差，也能夠自適應(yīng)地控制。
從下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。


圖1是表示有腿可移動(dòng)機(jī)器人僅由左腿支撐、其右腿抬起的時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)視圖；圖2是表示有腿可移動(dòng)機(jī)器人由兩條腿支撐、其右腿現(xiàn)在觸地的時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)視圖；圖3是表示有腿可移動(dòng)機(jī)器人僅由右腿支撐、其左腿抬起的時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)視圖；圖4是表示有腿可移動(dòng)機(jī)器人由兩條腿支撐、其左腿現(xiàn)在觸地的時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)視圖；圖5是表示在機(jī)器人僅由左腿支撐的時(shí)間段內(nèi)、左腿已經(jīng)相對(duì)路面發(fā)生移動(dòng)(滑動(dòng))的狀態(tài)視圖；圖6是表示在機(jī)器人僅由左腿支撐的時(shí)間段內(nèi)、有腿可移動(dòng)機(jī)器人的左腿繞著從路面得出的法線(偏轉(zhuǎn)軸)旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))的狀態(tài)視圖；圖7是表示從前面看時(shí)實(shí)施本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)視圖；
圖8是表示從后面看時(shí)實(shí)施本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)視圖；圖9示意性地示出在根據(jù)本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人中提供的自由度形成模型；圖10示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的腳底的示意結(jié)構(gòu)的視圖；圖12是表示能夠測(cè)量腳部相對(duì)平行于路面方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器的示意結(jié)構(gòu)視圖；圖13是表示能夠測(cè)量腳部相對(duì)平行于路面方向上的另一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器的示意結(jié)構(gòu)視圖；圖14示出在圖像處理計(jì)算單元中以較小的時(shí)間間隔比較和計(jì)算拍攝的圖像的狀態(tài)；圖15是表示能夠測(cè)量腳底繞從路面得出的法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器的示意結(jié)構(gòu)視圖；圖16示出以較小的時(shí)間間隔在每一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器中計(jì)算的、腳部在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量；圖17示出通過(guò)順序連接在平行于路面的方向上以較小時(shí)間間隔測(cè)量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，得出在繞著從路面得出的法線上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量的方法；圖18示意性地示出在腳底相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不包含繞著從地面得出的法線的分量情況下，由相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器測(cè)量的結(jié)果；圖19示意性地示出在腳底相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)包含繞著從地面得出的法線的分量情況下，由相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器測(cè)量的結(jié)果；圖20A至20D示出在有腿可移動(dòng)機(jī)器人行走期間腳底和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量結(jié)果在隨后的行為計(jì)劃中表現(xiàn)的方式；圖21示出在腳對(duì)于路面小傾角的情況下，腳接觸路面的操作；圖22示出在腳對(duì)于路面大傾角的情況下，腳接觸路面的操作；圖23是表示在腳底發(fā)生滑動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)校正行走模式的處理過(guò)程的流程圖；圖24是表示在腳底發(fā)生滑動(dòng)時(shí)離線校正行走模式的處理過(guò)程的流程圖；圖25示出根據(jù)本發(fā)明引入用于計(jì)算行走控制的有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的線性非干涉(non-interferencing)多質(zhì)點(diǎn)近似模型；圖26是表示在圖25所示有腿可移動(dòng)機(jī)器人的多質(zhì)點(diǎn)近似模型中鄰近腰部的放大圖；圖27是表示用于生成有腿可移動(dòng)機(jī)器人的行走模型的典型處理過(guò)程的流程圖；圖28是表示用于生成有腿可移動(dòng)機(jī)器人的行走模型的另一典型處理過(guò)程的流程圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式參照附圖，下面將詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
圖7和圖8分別示出從前面和后面看本發(fā)明的機(jī)器人時(shí)，處于直立狀態(tài)的“人性化”的有腿可移動(dòng)機(jī)器人100。如圖所示，有腿可移動(dòng)機(jī)器人100包括負(fù)責(zé)移動(dòng)(運(yùn)動(dòng))腳的兩個(gè)下肢，即左右下肢101R、101L、軀干102、左右上肢103R、103L、以及頭104。
左右下肢101R、101L由大腿105R、105L、膝關(guān)節(jié)106R、106L、脛部107R、107L、腳踝108R、108L、以及腳板109R、109L組成。左右下肢101R、101L由股關(guān)節(jié)110R、110L在接近軀干102的最下端處連接。左右上肢103R、103L由上臂111R、111L、肘關(guān)節(jié)112R、112L、前臂113R、113L組成，并由肩關(guān)節(jié)114R、114L在軀干102的左右側(cè)邊緣連接。頭104由頸關(guān)節(jié)155在接近軀干102的中心點(diǎn)處連接。
在軀干單元內(nèi)安裝在圖7和8中未示出的控制單元。該控制器是配備有為構(gòu)成有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的每一個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成驅(qū)動(dòng)控制的控制器、將在后面敘述的用于處理各個(gè)傳感器的外部輸入的主控制器、以及諸如電源電路的外圍部件的盒子。該控制單元可以包括用于遙控的通信接口或通信設(shè)備。
圖9示意性地示出本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人100所擁有的關(guān)節(jié)自由度的結(jié)構(gòu)。如圖所示，有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的構(gòu)成為包括兩只胳膊和頭1的上體部分、包括用于實(shí)施移動(dòng)動(dòng)作的兩條腿的下肢、以及連接上肢和下肢的軀干部分。
支撐頭1的頸關(guān)節(jié)具有3個(gè)自由度，即，頸關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)(yaw)軸2、頸關(guān)節(jié)傾斜(pitch)軸3、以及頸關(guān)節(jié)滾動(dòng)(roll)軸4。
每一只胳膊由肩關(guān)節(jié)傾斜軸8、肩關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸9、上臂偏轉(zhuǎn)軸10、肘關(guān)節(jié)傾斜軸11、前臂偏轉(zhuǎn)軸12、腕關(guān)節(jié)傾斜軸13、腕關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸14和手15構(gòu)成。手15實(shí)際上具有包括多個(gè)手指在內(nèi)的多點(diǎn)多自由度結(jié)構(gòu)。但是假定手15自身的運(yùn)動(dòng)具有0個(gè)自由度，這是因?yàn)槠鋬H在很小的程度上影響機(jī)器人100的方向穩(wěn)定性控制或行走運(yùn)動(dòng)控制。因此，假定左右上肢各具有7個(gè)自由度。
軀干部分具有3個(gè)自由度，即，軀干傾斜軸5、軀干滾動(dòng)軸6、以及軀干偏轉(zhuǎn)軸7。
形成下肢的左右腿各自由股關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸16、股關(guān)節(jié)傾斜軸17、股關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸18、膝關(guān)節(jié)傾斜軸19、踝關(guān)節(jié)傾斜軸20、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸21以及腳22(腳板的腳底)構(gòu)成。股關(guān)節(jié)傾斜軸17和股關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸18的交叉點(diǎn)限定本實(shí)施例的機(jī)器人100的股關(guān)節(jié)位置。盡管人體的腳(腳底)22實(shí)際上具有包括多點(diǎn)多自由度腳底的結(jié)構(gòu)，但是，假定本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的腳底具有0自由度。因此，左右下肢各具有6個(gè)自由度。
加起來(lái)，有腿可移動(dòng)機(jī)器人100總共有3+7×2+3+6×2＝32個(gè)自由度。但是，并不一定將有腿可移動(dòng)機(jī)器人100限制在32個(gè)自由度。當(dāng)然，自由度，也就是關(guān)節(jié)的數(shù)量可以根據(jù)設(shè)計(jì)和制造限制或設(shè)計(jì)參數(shù)需要任意地增加或減少。
實(shí)際上，上述有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的各個(gè)自由度是作為關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。從為了消除設(shè)備總體外觀中的任何凹凸部分以仿真人類(lèi)身體的形狀、以及為了對(duì)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行方向控制以便實(shí)現(xiàn)用兩條腿走路的各種需要來(lái)看，希望各個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸要小并且重量要輕。
根據(jù)本發(fā)明，使用小尺寸的交流伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于直接耦合到傳動(dòng)裝置并具有包括在電機(jī)單元中的單芯片伺服控制系統(tǒng)的類(lèi)型。并且，該可用于腳式機(jī)器人的小尺寸交流伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)公開(kāi)在例如，已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給并以本受讓人的名稱(chēng)申請(qǐng)的日本專(zhuān)利申請(qǐng)第H-11-33386號(hào)的說(shuō)明書(shū)中。
圖10示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的控制系統(tǒng)。如圖所示，該控制系統(tǒng)包括思考控制模塊200，用于動(dòng)態(tài)地對(duì)用戶輸入作出反應(yīng)以進(jìn)行感情判斷和感覺(jué)表達(dá)；以及運(yùn)動(dòng)控制模塊300，用于機(jī)器人100全身的具體運(yùn)動(dòng)，例如驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
思考控制模塊200是一獨(dú)立的信息處理裝置，包括用于執(zhí)行有關(guān)感情判斷或感覺(jué)表達(dá)的計(jì)算處理的CPU(中央處理單元)211、RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)212、ROM(只讀存儲(chǔ)器)213、以及諸如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的外部存儲(chǔ)設(shè)備214。處理可以在模塊200內(nèi)自己完成?？梢栽谕獠看鎯?chǔ)設(shè)備214中存儲(chǔ)離線計(jì)算的行走模式或其它操作模式，比如，行走模式。
通過(guò)總線接口201將多個(gè)單元連接到思考控制模塊200，這些單元包括比如配置在頭部201中的CCD(電荷耦合器件)攝像機(jī)的畫(huà)面輸入設(shè)備251、比如麥克風(fēng)的語(yǔ)音輸入設(shè)備252、比如揚(yáng)聲器的語(yǔ)音輸出設(shè)備253、或者未示出的、用于通過(guò)比如LAN(局域網(wǎng))與機(jī)器人100外部的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通信接口254。
思考控制模塊200根據(jù)來(lái)自外部世界的刺激或環(huán)境的變化，比如從畫(huà)面輸入設(shè)備251輸入的畫(huà)面或視頻數(shù)據(jù)、或者從語(yǔ)音輸入設(shè)備252輸入的語(yǔ)音或音頻數(shù)據(jù)，決定有腿可移動(dòng)機(jī)器人100當(dāng)前的感覺(jué)或意愿。思考控制模塊200還向運(yùn)動(dòng)控制模塊300發(fā)布命令，以實(shí)施相應(yīng)于決定的意愿的行為或運(yùn)動(dòng)，也就是運(yùn)動(dòng)四肢322R、322L、331R、和331L。
運(yùn)動(dòng)控制模塊300包括用于控制機(jī)器人100全身的具體運(yùn)動(dòng)的CPU(中央處理單元)311、RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)312、ROM(只讀存儲(chǔ)器)313、以及諸如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的外部存儲(chǔ)設(shè)備314。外部存儲(chǔ)設(shè)備314能夠存儲(chǔ)例如行為模式或使用四肢的“行走能力(capacity)”?！靶凶吣芰Α笔怯迷诒硎尽瓣P(guān)節(jié)角度的順序變化”的相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)術(shù)語(yǔ)。
通過(guò)總線接口301將多個(gè)設(shè)備連接到運(yùn)動(dòng)控制模塊300，這些設(shè)備比如為，用于實(shí)現(xiàn)分布在機(jī)器人100整個(gè)身體上的各個(gè)關(guān)節(jié)的各自的自由度的關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)321(見(jiàn)圖9)、用于測(cè)量軀干202的方向和傾角的方向傳感器351、配置在左右腳上的路面觸覺(jué)傳感器361和相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器362、以及用于監(jiān)控諸如電池的電源的電源控制設(shè)備。
應(yīng)該指出的是，路面接觸傳感器361用于檢測(cè)各個(gè)腳底離開(kāi)和接觸路面的時(shí)間點(diǎn)。機(jī)器人100操作時(shí)間期間(也就是機(jī)器人由兩條腿或單條腿支撐的時(shí)間段)可以根據(jù)路面接觸傳感器361的輸出確定。另一方面，相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器362用于檢測(cè)和測(cè)量各條腿相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量(滑動(dòng)量)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器362的輸出特殊用于機(jī)器人由單條腿、即331R或331L支撐的時(shí)間段。路面接觸傳感器361和相對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器362將在下面詳細(xì)解釋。
運(yùn)動(dòng)控制模塊300通過(guò)關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)321、335控制全身的具體運(yùn)動(dòng)，以便實(shí)施思考控制模塊200命令的行為。也就是說(shuō)，CPU 311從外部存儲(chǔ)設(shè)備314中提取相應(yīng)于思考控制模塊200命令的行為的行為模式、或者內(nèi)部生成運(yùn)動(dòng)模式。CPU 311還根據(jù)特定的行為模式，設(shè)置腳部運(yùn)動(dòng)、ZMP(零轉(zhuǎn)動(dòng)力矩)軌跡、軀干運(yùn)動(dòng)、上肢運(yùn)動(dòng)、手腕水平位置和高度，并發(fā)送指明符合所設(shè)置內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)的命令值給各相應(yīng)的關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而且，ZMP意味著路面對(duì)行走反作用力的力矩為零的路面上的點(diǎn)，而ZMP軌跡意味著在比如機(jī)器人100的行走期間ZMP所沿著移動(dòng)的軌跡。
CPU 311能夠通過(guò)方向傳感器351的輸出信號(hào)檢測(cè)機(jī)器人100的軀干部分的方向或傾角、以及通過(guò)左右腿的路面觸覺(jué)傳感器361的輸出信號(hào)檢測(cè)各個(gè)可移動(dòng)的腿是處于自由狀態(tài)還是處于直立狀態(tài)，自適應(yīng)地控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人100全身的具體運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人100中，CPU 311能夠根據(jù)各條腿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器362檢測(cè)或測(cè)量的滑動(dòng)量執(zhí)行自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制。自適應(yīng)控制的一個(gè)例子是按照開(kāi)始時(shí)的計(jì)劃動(dòng)態(tài)校正目標(biāo)軌跡。后面將詳細(xì)說(shuō)明從各條腿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量結(jié)果中演化出的操作控制。
思考控制模塊200和運(yùn)動(dòng)控制模塊300構(gòu)建在共用平臺(tái)上，并通過(guò)總線接口201和301互連，如圖10所示。運(yùn)動(dòng)控制模塊300適宜返回到已經(jīng)按照思考控制模塊200確定的意愿實(shí)施的行為范圍，也就是到思考控制模塊200的處理狀態(tài)。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的腳底示意結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D11，腿1101包括腳框1102，用于維持腳外形的形狀；腿連接部分1103，用于電氣地和機(jī)械地連接到腿上；相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104，用于檢測(cè)和測(cè)量腳相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量(滑動(dòng)量)；路面接觸傳感器1105至1108，用于檢測(cè)每一個(gè)腳底離開(kāi)和到達(dá)路面；傳感器輸入處理計(jì)算單元1109，用于處理傳感器1105至1108的檢測(cè)信號(hào)；以及傳感器信息通信處理單元1110，用于將處理計(jì)算結(jié)果傳輸?shù)阶鳛闄C(jī)器人100的中央處理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊300。
在圖11所示的實(shí)施例中，四個(gè)路面接觸傳感器1105至1108單獨(dú)配置在每一只腳底上。這僅用于示例說(shuō)明，因此，如果希望在更多的點(diǎn)上確認(rèn)觸地，則可以裝配5個(gè)或更多的地面接觸傳感器；而如果僅在特定的點(diǎn)上確認(rèn)就足夠了，則只用一個(gè)地面接觸傳感器足已。
類(lèi)似地，對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器的數(shù)量也沒(méi)有限制。在圖11的實(shí)施例中，各個(gè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)在同一腳底的傳感器輸入處理計(jì)算單元1109中處理一次，并將處理結(jié)果傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制模塊300。另外，也可以將計(jì)算處理之前的原始檢測(cè)信號(hào)直接發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊300。在這種情況下，傳感器輸入處理計(jì)算單元1109可以免去不用。
相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量(滑動(dòng)量)的檢測(cè)結(jié)果的利用方法將在下文中說(shuō)明。
在有腿可移動(dòng)機(jī)器人100用腿進(jìn)行當(dāng)然包括行走在內(nèi)的操作時(shí)，傳感器輸入處理計(jì)算單元1109總是使用路面接觸傳感器1105至1108監(jiān)視腿的各點(diǎn)與路面的觸地狀態(tài)。在由部分或所有的路面接觸傳感器1105至1108確認(rèn)觸地的時(shí)間段內(nèi)，將相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104測(cè)量的運(yùn)動(dòng)量值用作廣義的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104的測(cè)量結(jié)果的利用方法根據(jù)計(jì)劃的行走狀態(tài)和觸地狀態(tài)而變化。
作為一種簡(jiǎn)化情形，下面說(shuō)明在正常行走期間直立腿的觸地狀態(tài)。假定直立腿(圖5中的左腳2004)的腳相對(duì)于路面分別在滾動(dòng)軸方向和傾斜軸方向上移動(dòng)ΔX和ΔY。由于機(jī)器人僅由一條腿支撐，如果不發(fā)生相對(duì)于計(jì)劃軌跡的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將是最理想的。
圖5所示的狀態(tài)是左腳2004計(jì)劃完全接觸地面的狀態(tài)。腿的地面接觸狀態(tài)根據(jù)路面接觸傳感器1105至1108的檢測(cè)信號(hào)確定。相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104檢測(cè)此狀態(tài)下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量ΔX和ΔY。
路面接觸傳感器1105至1108以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104的檢測(cè)信號(hào)輸入到傳感器輸入處理計(jì)算單元1109中，然后對(duì)傳感器輸入進(jìn)行計(jì)算，以分析出在本不應(yīng)該發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下產(chǎn)生了腳接觸地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。傳感器信息通信處理單元1110將處理和計(jì)算結(jié)果發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制模塊300。
然后，運(yùn)動(dòng)控制模塊300能夠知道有腿可移動(dòng)機(jī)器人100分別在滾動(dòng)軸方向和傾斜軸方向上經(jīng)歷了偏離計(jì)劃軌跡ΔX和ΔY的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也就是滑動(dòng)。這些檢測(cè)結(jié)果可以反映在接下來(lái)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃和軌跡校正中。
假定右腳2003現(xiàn)在觸地，機(jī)器人由兩條腿支撐。同時(shí)假定當(dāng)左腿2002下降接觸地面時(shí)，左腳2004已經(jīng)相對(duì)于左腳2004的路面已經(jīng)經(jīng)歷了相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))。由于機(jī)器人(運(yùn)動(dòng)控制模塊300)知道各個(gè)關(guān)節(jié)的位置，所以能夠檢測(cè)腿已經(jīng)經(jīng)歷相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而左右腿之間的關(guān)系已經(jīng)偏離軌跡計(jì)劃。但是，對(duì)于適用于直接檢測(cè)和測(cè)量相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以確信左右腿的哪一條腿對(duì)相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)責(zé)，并可以從數(shù)量上精確地測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。在本發(fā)明的配置中，左右腿相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))可以通過(guò)安裝在腿上的路面接觸傳感器1105觀測(cè)，而機(jī)器人相對(duì)于路面的位置的識(shí)別可以在精度上顯著提高。
下面說(shuō)明相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104的一種具體結(jié)構(gòu)。
圖12示出本發(fā)明的能夠用于有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104的一種具體結(jié)構(gòu)。圖12所示的傳感器1104能夠根據(jù)球1301的旋轉(zhuǎn)量檢測(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
在腳底上安裝可以旋轉(zhuǎn)的球1301，球的表面部分地暴露在外。當(dāng)腳充分地接近路面時(shí)，球1301暴露的表面能夠接觸到路面。
球1301內(nèi)裝有傳感器盒1302，允許其旋轉(zhuǎn)。在球1301的表面上，與沿著X軸(滾動(dòng)軸)的旋轉(zhuǎn)諧調(diào)旋轉(zhuǎn)的X軸磙子1303、和與沿著Y軸(傾斜軸)的旋轉(zhuǎn)諧調(diào)旋轉(zhuǎn)的Y軸磙子1304毗鄰，輥?zhàn)?305在彈簧1306的恢復(fù)力的作用下，使用抵抗磙子1304、1305的適度壓力按壓球1301。用于檢測(cè)磙子1303的旋轉(zhuǎn)量的X軸旋轉(zhuǎn)編碼器1307直接耦合到X軸磙子1303的根部。類(lèi)似地，用于檢測(cè)Y軸磙子1304的旋轉(zhuǎn)量的Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器1308直接耦合到磙子1304。
在腿接觸地面的時(shí)間段內(nèi)，如果腿經(jīng)歷相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))，則球1301在X軸和Y軸方向上旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)量的總量。球1301旋轉(zhuǎn)的X軸分量和Y軸分量分別由磙子1303和1304傳遞，而各自的旋轉(zhuǎn)量分別由X軸旋轉(zhuǎn)編碼器1307和Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器1308讀出。
在圖12中，用參考標(biāo)號(hào)1309表示的模塊是計(jì)數(shù)器，用于對(duì)各編碼器1307、1308的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)，而用參考標(biāo)號(hào)1310表示的模塊是計(jì)算處理器，用于解釋編碼器的輸出以計(jì)算在X軸和Y軸方向上橫越的距離。如此生成的由腿橫越的距離數(shù)據(jù)被發(fā)送到傳感器輸入處理計(jì)算單元1109，然后通過(guò)傳感器信息通信處理單元1110傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制模塊300。
圖13示出相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104的另一種示意結(jié)構(gòu)，并且圖13中示出的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104適用于光學(xué)地讀取相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
在圖13中，所示實(shí)施例的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104包括作為發(fā)射光源的光發(fā)射單元1401；光發(fā)射透鏡單元1402，由諸如透鏡的光學(xué)組件構(gòu)成，用于收集所發(fā)射的光；成像透鏡單元1403，由諸如透鏡的光學(xué)組件構(gòu)成，用于收集從路面S反射的光；成像單元1404，用于將反射的光成像；圖像處理計(jì)算單元1405，用于處理圖像；相對(duì)運(yùn)動(dòng)量處理器1406，用于根據(jù)圖像處理的結(jié)果，確定腳和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量；以及通信處理器1407，用于將如此確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))量傳輸給作為機(jī)器人100的中央處理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊300。
在圖13的實(shí)施例中，由成像單元1404獲得的圖像在腿中進(jìn)行處理，以便計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)量?；蛘撸傻膱D像也可以直接傳輸給運(yùn)動(dòng)控制模塊300，在這種情況下，可以在腳中省去圖像處理計(jì)算單元1405和相對(duì)運(yùn)動(dòng)量處理器1406。
由光發(fā)射單元1401所產(chǎn)生的預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的發(fā)射光發(fā)射到臨近腳所接觸的路面位置。在該照射下從路面反射的光由成像透鏡單元1403收集，以在成像單元1404的成像表面形成圖像。
成像單元1404由例如CCD(電荷耦合器件)構(gòu)成，并適用于接收從路面反射的光，以形成符合路面上的微小凹凸或圖案的圖像?；蛘?，具有高可視性的圖案可以在開(kāi)始時(shí)設(shè)置在路面上。
圖像處理計(jì)算單元1405從成像單元1404中得到反饋，以較小的時(shí)間間隔比較這些圖像來(lái)計(jì)算圖像運(yùn)動(dòng)。例如，如圖14所示，可以Δt秒的間隔獲取所生成的圖像的差異，以便從統(tǒng)計(jì)上處理相應(yīng)的凹和凸或各圖案之間的運(yùn)動(dòng)量Δd1，從而計(jì)算圖像運(yùn)動(dòng)。
在圖像處理計(jì)算單元1405獲得的圖像運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)輸出到下游側(cè)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量處理器1406。根據(jù)該圖像運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)量處理器1606計(jì)算相對(duì)于路面在X軸(滾動(dòng)軸)方向和Y軸(傾斜軸)方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))量ΔX和ΔY。所計(jì)算的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量通過(guò)通信處理器1407傳輸給運(yùn)動(dòng)控制模塊300。
圖12和13所示的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104計(jì)算腳相對(duì)于平行于路面的表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，也就是在X軸方向(滾動(dòng)軸方向)和Y軸方向(傾斜軸方向)上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))量ΔX和ΔY。但是，如上所述，與在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量一樣，繞路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量在有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的運(yùn)動(dòng)控制或軌跡校正中也是至關(guān)重要的。下面說(shuō)明能夠測(cè)量繞路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器。
常規(guī)地，可移動(dòng)機(jī)器人繞路面法線的運(yùn)動(dòng)使用陀螺儀傳感器進(jìn)行例行測(cè)量。但是，這帶來(lái)了例如測(cè)量精確性的問(wèn)題。另一方面，由于繞法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)明顯影響行走方向，所以必須精確測(cè)量。
圖15示出帶有能夠測(cè)量繞路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器的腳的示意結(jié)構(gòu)。
如圖所示，腳1501包括腳框1502，用于維持腳的形狀；腿連接單元1503，用于電氣地和機(jī)械地將腳連接到相關(guān)的腿上；兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1504-1和1504-2，彼此按照預(yù)設(shè)距離安裝在腳的腳底上；路面接觸傳感器1505至1508，用于檢測(cè)每一個(gè)腳底離開(kāi)和到達(dá)路面；傳感器輸入處理計(jì)算單元1509，用于處理各個(gè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)；以及傳感器信息控制處理器1510，用于將處理計(jì)算結(jié)果發(fā)送到作為機(jī)器人100的中央處理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊300。
四個(gè)路面接觸傳感器1505至1508可以與圖11所示實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)一致，對(duì)于傳感器的數(shù)量或安裝位置沒(méi)有限制。
如果相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1504-1和1504-2中的每一個(gè)能夠測(cè)量在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，則已經(jīng)足夠，如此則可以直接使用圖12或13所示的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1104。
下面說(shuō)明使用兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1504-1和1504-2測(cè)量腳繞著路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))量的方法。
如果腳1501經(jīng)歷相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng))，則各個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1504-1和1504-2每隔預(yù)設(shè)的微小時(shí)間間隔計(jì)算在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。如此計(jì)算的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量示于圖16中。
通過(guò)重復(fù)每隔預(yù)設(shè)的微小時(shí)間間隔、測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，如圖16所示，并將測(cè)量結(jié)果按時(shí)間順序結(jié)合起來(lái)，則可以測(cè)量繞路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，如圖17所示。
在圖15所示的腳1501的示意性結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1504-1和1504-2彼此隔開(kāi)，所以可以在兩個(gè)點(diǎn)上測(cè)量平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
在腳1501相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中沒(méi)有繞路面法線的分量時(shí)，在傳感器1504-1和1504-2的安裝點(diǎn)處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)彼此平行，從而由各個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1504-1和1504-2測(cè)量的在X和Y方向上的分量彼此總是相互一致。也就是說(shuō)，各個(gè)傳感器的檢測(cè)輸出具有相同的值。
另一方面，在腳1501相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中包含繞路面法線的分量時(shí)，由各個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1504-1和1504-2測(cè)量的在X和Y方向上的分量彼此不一致。圖19示出腳1501每隔預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔繞著地面法線進(jìn)行角度θ的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀況。在這種情況下，由相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器1504-1和1504-2測(cè)量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量所定義的運(yùn)動(dòng)矢量A、B彼此不平行。也就是說(shuō)，繞著腳的路面的法線的旋轉(zhuǎn)量θ可以根據(jù)這些運(yùn)動(dòng)矢量A和B之間的夾角進(jìn)行計(jì)算。
在圖15所示的實(shí)施例中，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器裝配在腳部。但是，相對(duì)于路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量當(dāng)然也可以使用三個(gè)或多個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器以類(lèi)似的方式進(jìn)行測(cè)量。如果使用大量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，則可以消除各個(gè)傳感器的測(cè)量靈敏度和其它傳感器的特性方面的偏差，從而更精確地測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
當(dāng)然，通過(guò)使用能夠直接測(cè)量繞著從路面得出的法線的旋轉(zhuǎn)量的傳感器，替代或者與根據(jù)平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量來(lái)計(jì)算繞路面法線的相對(duì)旋轉(zhuǎn)量一起，也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的類(lèi)似操作和結(jié)果。
使用如上所述的本發(fā)明的有腿可移動(dòng)機(jī)器人100，可以直接并準(zhǔn)確地測(cè)量腳部相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，可以更迅速地識(shí)別在靠腿直立的機(jī)器人100的運(yùn)動(dòng)操作中出現(xiàn)的沒(méi)有包括在軌跡計(jì)劃中的狀態(tài)，并立即自適應(yīng)地反映在隨后的行為計(jì)劃中。
例如，如果腳部打滑，則安裝在腳部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器比安裝在機(jī)器人100的腰部或軀干部位的方向傳感器更快速地響應(yīng)，以更滿意的方式校正行為計(jì)劃。此外，如果機(jī)器人闖入更加光滑的路面部分，則在機(jī)器人的方向變得不穩(wěn)定之前可以預(yù)測(cè)將會(huì)打滑的危險(xiǎn)。
另外，通過(guò)直接測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，可以減輕或者去除施加在機(jī)器人100裝載的其它測(cè)量系統(tǒng)上的負(fù)擔(dān)。例如，可以降低陀螺儀傳感器所需的精度，使其不再需要對(duì)來(lái)自比如攝像機(jī)的輸入圖像執(zhí)行甚為復(fù)雜的計(jì)算處理。
腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量結(jié)果可以反映在有腿可移動(dòng)機(jī)器人100隨后的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃中，現(xiàn)在將加以說(shuō)明。
圖20A至20D示出在有腿可移動(dòng)機(jī)器人100行走期間腳和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量結(jié)果在隨后的行為計(jì)劃中表現(xiàn)的四種模式。
其中，圖20A和20B所示的模式在停止行走運(yùn)動(dòng)的瞬變過(guò)程方面相同。
在圖20A中，如果運(yùn)動(dòng)控制模塊300檢測(cè)到滑動(dòng)超出預(yù)設(shè)的閾值，則瞬時(shí)暫停行走運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提醒思考控制模塊200已經(jīng)檢測(cè)到過(guò)度滑動(dòng)。思考控制模塊200作出響應(yīng)，通過(guò)類(lèi)似人類(lèi)的行為表達(dá)危險(xiǎn)狀況。例如，如果檢測(cè)到不可行走的狀態(tài)，則思考控制模塊200呼叫附近的用戶尋求幫助。例如，通過(guò)使用語(yǔ)音或利用無(wú)線電通信實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求幫助。或者，機(jī)器人100自動(dòng)轉(zhuǎn)向或倒退。
在圖20B中，如果運(yùn)動(dòng)控制模塊300檢測(cè)到滑動(dòng)超出預(yù)設(shè)的閾值，則瞬時(shí)暫停行走運(yùn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)換到路面狀況搜索行為例程。
對(duì)于路面狀況搜索行為例程沒(méi)有具體限制。例如，可以處理來(lái)自比如攝像機(jī)的圖像輸入設(shè)備251的輸入圖像，以便從紋理或圖案核實(shí)路面的狀況。另外，可以使用比如腳部的腳尖，施加一核實(shí)路面狀況的刮擦路面操作?；蛘?，可以使用腳部之外的其它身體部分，比如胳膊，施加一核實(shí)路面狀況的刮擦路面操作。
然后，根據(jù)路面狀況搜索的結(jié)果采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。典型的合適動(dòng)作是選擇適合于路面狀況的行走模式以繼續(xù)行走。另外，用于打滑路面的行走模式可以離線計(jì)算并預(yù)先存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)設(shè)備314中，或者在運(yùn)動(dòng)控制模塊300中實(shí)時(shí)生成。后面將更加詳細(xì)地說(shuō)明行走模式的生成。
對(duì)于核實(shí)不能行走的狀況下，典型的合適動(dòng)作還可以是通過(guò)類(lèi)似人類(lèi)的操作、比如呼叫附近用戶尋求幫助來(lái)表達(dá)危險(xiǎn)情形。相似典型的合適動(dòng)作是通過(guò)倒退或轉(zhuǎn)向返回到初始的安全路面點(diǎn)。在轉(zhuǎn)向中，可以核實(shí)該轉(zhuǎn)向是否可行。
在圖20C的模式中，轉(zhuǎn)換到用于打滑路面的行走模式，而不暫?；蛩矔r(shí)暫停行走運(yùn)動(dòng)。
用于打滑路面的行走模式分為安全行走模式或者在搜索路面的同時(shí)行走。
對(duì)于前者，也就是在安全行走模式的情況下，可以增加腳部接觸路面時(shí)的傾角，以增大腳部401和路面S之間的摩擦阻力。圖21和22從前進(jìn)方向的側(cè)面分別示出在腳接觸路面時(shí)腳部401小傾角入射的情況下、以及在腳接觸路面時(shí)腳部401大傾角入射的情況下的路面接觸操作。
在圖21的情況下，傾向于產(chǎn)生滑動(dòng)，因?yàn)榻佑|地面402的腿施加給路面較大的水平分量力。在圖22的情況下，接觸地面402的腿施加給路面較小的水平分量力，從而不大可能產(chǎn)生滑動(dòng)，而路面S的摩擦系數(shù)保持恒定。
典型的安全行走模式還可以是行走速度降低或步幅減小以防止滑動(dòng)的行走模式、或者校正ZMP軌跡的行走模式。下文中將更加詳細(xì)地描述用于打滑路面的安全行走模式的生成。
在機(jī)器人搜索路面的同時(shí)行走，如果能夠避免在閑腳接觸地面的同時(shí)移動(dòng)機(jī)器人100的體重，則是足夠的，而體重的移動(dòng)根據(jù)符合路面搜索操作執(zhí)行結(jié)果的路面狀況進(jìn)行。
在圖20D所示的模式中，在不暫?；蛩矔r(shí)暫停行走運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，選擇適合于打滑路面的腳底。
例如，如果有腿可移動(dòng)機(jī)器人100自身攜帶有用于打滑路面的腳底，則在鞋子替換間隔在該地點(diǎn)上在不同的腳底之間切換就足夠了。
如果有腿可移動(dòng)機(jī)器人100自身沒(méi)有攜帶腳底，則機(jī)器人100可以返回到可以得到用于打滑路面的腳底或其它類(lèi)型腳底的地方，比如工具庫(kù)。
如果有腿可移動(dòng)機(jī)器人100自身沒(méi)有攜帶腳底，也可以使用類(lèi)似人類(lèi)的行為表達(dá)危險(xiǎn)情形，比如通過(guò)呼叫用戶并請(qǐng)求改變腳底。
現(xiàn)在說(shuō)明用于生成在圖20B和20C中使用的、用在打滑路面上的行走模式的處理過(guò)程。通常，該行走模式可以事先離線計(jì)算、或者在行走期間實(shí)時(shí)校正。
首先說(shuō)明在腳底發(fā)生滑動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)校正行走模式的情況。圖23示出用于說(shuō)明實(shí)時(shí)校正行走模式的處理過(guò)程的流程圖。下面參照該流程圖進(jìn)行說(shuō)明。
首先，使用所設(shè)置的行走模式進(jìn)行行走控制(步驟S11)。行走模式[s/步]例如由行走周期Kc×C和步長(zhǎng)L規(guī)定，其中Kc是具有默認(rèn)值1.0的倍率因子。
在步驟S12使用已經(jīng)說(shuō)明的、安裝在腳部的腳底上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器測(cè)量腳底滑動(dòng)，以核實(shí)滑動(dòng)是否小于允許值(步驟S13)。
如果腳底滑動(dòng)小于允許值，在機(jī)器人由兩條腿或僅由單條腿支撐的情況下，處理分別返回到步驟S11或步驟S12(步驟S19)，以繼續(xù)使用所設(shè)置的同一行走模式繼續(xù)行走。
如果腳底滑動(dòng)超出允許值，則執(zhí)行選擇行走模式的再現(xiàn)速度的處理。
在這種情況下，行走周期暫時(shí)改變(步驟S14)。這可以通過(guò)暫時(shí)增加倍率因子Kc的值(比如Kc＝Kc+0.1)實(shí)現(xiàn)，結(jié)果可以改變行走模式的再現(xiàn)速度。
然后根據(jù)所改變的行走模式再現(xiàn)速度計(jì)算ZMP軌跡(步驟S15)。導(dǎo)出ZMP軌跡的方法，也就是ZMP公式請(qǐng)參見(jiàn)Takanishi等的“在未知外力的情況用兩條腿行走—對(duì)于橫向方向外力未知的行走控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”(日本機(jī)器人協(xié)會(huì)第9次會(huì)議，321至324頁(yè))(“Two-legged walking under unknownexternal force--development of a walking control system against an unknownexternal force in the transverse direction”(9th Meeting of Robot Association ofJapan，pages 321 to 324))。
根據(jù)所計(jì)算的ZMP軌跡，然后核實(shí)是否滿足ZMP穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)(步驟S16)。如果滿足ZMP穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)，則選擇所改變的行走模式再現(xiàn)速度(步驟S17)。根據(jù)該再現(xiàn)速度執(zhí)行行走控制(步驟S18)。然后，處理返回到步驟S12，重復(fù)上述處理。
應(yīng)該指出的是，可以通過(guò)改變步長(zhǎng)、而不改變行走周期，來(lái)類(lèi)似地實(shí)現(xiàn)行走模式再現(xiàn)速度。
相反，如果不滿足ZMP穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)，則在機(jī)器人由兩條腿支撐、機(jī)器人100可能在方向上穩(wěn)定時(shí)，可以放棄繼續(xù)行走以暫停行走。
現(xiàn)在說(shuō)明事先離線生成用于腳底發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的行走模式的處理過(guò)程。圖24示出離線生成行走模式的處理過(guò)程的流程圖。下面根據(jù)該流程圖進(jìn)行說(shuō)明。
首先，將初始值1代入變量n(步驟S31)，以獲取n次行走實(shí)驗(yàn)的腳底滑動(dòng)矢量s(n)(步驟S32)。
使用該腳底滑動(dòng)矢量s(n)，在步驟S33校正機(jī)器人100的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系O’-X’Y’Z’相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系O的原點(diǎn)矢量rq(rqx，rqy，rqz，rqraw，rqroll，rqpitch，t)。校正公式如下面的公式(1)所示。
rq(rqx，rqy，rqz，rqraw，rqroll，rqpitch，t)＝rq(rqx，rqy，rqz，rqraw，rqroll，rqpitch，t)+K×s(n)(sx，sy，sz，sraw，sroll，spitch，t) (1)其中K是反饋增益。
使用所校正的原點(diǎn)矢量rq(rqx，rqy，rqz，t)，重新計(jì)算有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的全身運(yùn)動(dòng)模式(步驟S34)。下面將描述用于計(jì)算有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的全身運(yùn)動(dòng)模式的處理過(guò)程。
使用機(jī)械模型、相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器和重新計(jì)算的全身運(yùn)動(dòng)模式，進(jìn)行第(n+1)次行走實(shí)驗(yàn)，以獲取第(n+1)腳底滑動(dòng)矢量s(n+1)(步驟S35)。
然后在步驟S36，核實(shí)第(n+1)腳底滑動(dòng)矢量s(n+1)是否等于或大于允許值。如果該矢量小于允許值，則將在步驟S34所得到的全身運(yùn)動(dòng)模式輸出，作為在腳底發(fā)生滑動(dòng)時(shí)能夠穩(wěn)定行走的模式。
另一方面，如果腳底滑動(dòng)矢量s(n+1)等于或大于允許值，則將n加1(步驟S37)。然后，處理返回到步驟S33，重復(fù)執(zhí)行上述處理。
最后，說(shuō)明在圖24的步驟S34中所執(zhí)行的用于計(jì)算全身運(yùn)動(dòng)模式的處理。
在本實(shí)施例中，使用圖25所示、以及用公式(2)和(4)所表示的線性非干涉多質(zhì)點(diǎn)近似模型代替圖7至9所示的有腿可移動(dòng)機(jī)器人100，用于計(jì)算全身運(yùn)動(dòng)模式。
在圖25中，O-XYZ坐標(biāo)系表示絕對(duì)坐標(biāo)系中的滾動(dòng)、傾斜和偏轉(zhuǎn)軸，而O’-X’Y’Z’坐標(biāo)系表示隨著有腿可移動(dòng)機(jī)器人100運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的滾動(dòng)、傾斜和偏轉(zhuǎn)軸。在圖25所示的多質(zhì)點(diǎn)模型中，i、mi和r’i分別表示第i項(xiàng)的腳標(biāo)、第i質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量、以及第i質(zhì)點(diǎn)的位置矢量(在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中)。腰部質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和位置矢量，如后面將說(shuō)明的在生成全身的具體運(yùn)動(dòng)模式的處理中是至關(guān)重要的，分別為mh和r’h(r’hx，r’hy，r’hz)，ZMP的位置矢量為r’zmp。還應(yīng)該理解的是，在圖25所示的不精確的多質(zhì)點(diǎn)近似模型中，力矩公式表述為線性公式，并且力矩不干涉傾斜和滾動(dòng)軸。
該多質(zhì)點(diǎn)近似模型可以通過(guò)下述處理過(guò)程大致生成。
(1)得到機(jī)器人100的全身質(zhì)量分布；(2)設(shè)置質(zhì)點(diǎn)，對(duì)于設(shè)置質(zhì)點(diǎn)的方法，質(zhì)點(diǎn)是由設(shè)計(jì)者通過(guò)人工操作輸入、還是按照預(yù)定規(guī)則自動(dòng)輸入沒(méi)有影響；(3)得到各區(qū)域i的重心、質(zhì)量mi，以及相應(yīng)于所述質(zhì)點(diǎn)的重心位置；(4)每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)mi用具有質(zhì)點(diǎn)位置ri和正比于質(zhì)量的半徑的球表示；(5)將具有實(shí)際互連關(guān)系的質(zhì)點(diǎn)，也就是球互連起來(lái)。
多質(zhì)點(diǎn)模型就如同以線框模型形式代表的機(jī)器人。從圖21中可以看出，本實(shí)施例的多質(zhì)點(diǎn)近似模型設(shè)置兩肩114R、114L、兩肘112R、112L、兩腕118R、118L、軀干102、腰119、以及兩腳踝108R、108L作為質(zhì)點(diǎn)。在圖21所示多質(zhì)點(diǎn)模型的腰部信息中，旋轉(zhuǎn)角(θhx，θhy，θhz)定義有腿可移動(dòng)機(jī)器人100中腰部的旋轉(zhuǎn)方向，即，滾動(dòng)、傾斜和偏轉(zhuǎn)軸。另外，圖26以放大的比例示出多質(zhì)點(diǎn)近似模型的腰部及其鄰近部位。
下面說(shuō)明使用上述的多質(zhì)點(diǎn)近似模型，用于生成有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的行走模式的處理過(guò)程。
圖27示出用于生成有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的行走模式的處理過(guò)程的流程圖。在下面假定使用圖25所示的線性非干涉多質(zhì)點(diǎn)近似模型、以及下述關(guān)系式(2)中所示的參數(shù)，描述機(jī)器人100的各個(gè)關(guān)節(jié)位置和操作，其中帶有逗點(diǎn)標(biāo)記(’)的符號(hào)表明運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。
mh腰部質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量 腰部質(zhì)點(diǎn)的位置矢量mi第i質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量 第i質(zhì)點(diǎn)的位置矢量 ZMP的位置矢量 重力加速度矢量O’-X’Y’Z’運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(隨機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng))O-XYZ絕對(duì)坐標(biāo)系H＝ihz+rqz(2)還事先假設(shè)機(jī)器人100的腰部具有固定的高度(r’hz+rqz＝常數(shù))，并且膝部質(zhì)點(diǎn)為0。下面根據(jù)圖27的流程圖加以解釋。
首先，設(shè)置用于實(shí)際確定各部分的驅(qū)動(dòng)和操作的模式，比如通過(guò)行走實(shí)驗(yàn)提供的腳部運(yùn)動(dòng)、從腳部運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)出的ZMP目標(biāo)軌跡、軀干運(yùn)動(dòng)、上肢運(yùn)動(dòng)、以及腰部的方向和高度(步驟S41)。應(yīng)該指出的是，僅在Z’方向上設(shè)置腰部的運(yùn)動(dòng)，并假定不知道在X’和Y’方向上的運(yùn)動(dòng)。
然后，使用線性非干涉多質(zhì)點(diǎn)近似模型，計(jì)算隨著腰部(r’hx，r’hy)在水平平面中的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的、在所設(shè)置的ZMP上的力矩(步驟S43)。
然后，在隨著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系O’-X’Y’Z’上導(dǎo)出與所設(shè)置的ZMP上的力矩相關(guān)的平衡方程。更具體地說(shuō)，導(dǎo)出下述線性非干涉ZMP公式(3)+mhH(r..hx+r..qx+gx)-mhgz(rhx′-rzmpx′)=-My(t)----(3)]]>-mhH(r..hy+r..qy+gy)+mhgz(rhy′-rzmpy′)=-Mx(t)]]>其中由腳部、軀干、以及上肢運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力矩(Mx，My)在右側(cè)，而與腰部質(zhì)點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)相關(guān)的項(xiàng)作為未知變量項(xiàng)位于左側(cè)，并假定r..hz=0]]>r’hz+rqz＝常數(shù)(對(duì)于時(shí)間為常數(shù)) (4)求解上述ZMP公式(3)，以計(jì)算腰部在水平平面中的軌跡(步驟S45)。例如，可以使用比如歐拉法(Euler method)或貝格-庫(kù)塔法(Runge-Kutta method)的數(shù)值分析公知方法，通過(guò)求解ZMP公式(3)得出作為未知變量的腰部(rhx，rhy)的絕對(duì)水平位置的數(shù)值解(步驟S46)。在此得出的數(shù)值解是允許穩(wěn)定行走的腰部運(yùn)動(dòng)模式的近似解，更具體地說(shuō)，是使ZMP進(jìn)入目標(biāo)位置的腰部的絕對(duì)水平位置。ZMP目標(biāo)位置通常設(shè)置在腳底接觸地面的位置。
如果根據(jù)所計(jì)算的近似解不能實(shí)現(xiàn)所預(yù)設(shè)的軀干運(yùn)動(dòng)或上肢運(yùn)動(dòng)，則重新設(shè)置和校正軀干和上肢的運(yùn)動(dòng)(步驟S47)。此時(shí)，可以計(jì)算膝部的軌跡。
在精確模型上(由剛體或大量質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的機(jī)器人100的精確模型)所設(shè)置的ZMP上的力矩(eMx，eMy)通過(guò)代入如上所述獲得的全身運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算(步驟S48)。盡管不精確的模型假定上述公式(4)成立，但是該假設(shè)在精確模型中是不需要的(也就是說(shuō)，不需要對(duì)于時(shí)間保持常數(shù))。
關(guān)于精確模型的力矩(eMx，eMy)是由腰部運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的力矩誤差。在下一步S49中，核實(shí)力矩(eMx，eMy)是否小于在不精確模型中近似力矩的允許值(εMx，εMy)。如果該力矩小于允許值ε，則可以得出穩(wěn)定的腰部運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定行走的模型的精確解(步驟S50)。在有腿機(jī)器人的情況下，如在本實(shí)施例中其每一個(gè)腳部分具有6個(gè)自由度(見(jiàn)圖9)，可以由各腳的位置和高度、以及腰部的水平位置明確地設(shè)置兩條腿的方向。也就是說(shuō)，生成腰部的模式等價(jià)于機(jī)器人100的“行走能力”，即全身的運(yùn)動(dòng)模式。本例程在步驟S50結(jié)束。
另一方面，如果精確模型中的力矩(eMx，eMy)等于或大于近似模型中力矩的允許值(εMx，εMy)，則在精確模型中使用力矩(eMx，eMy)校正近似模型中已經(jīng)生成的力矩(Mx，My)(步驟S51)，以再次導(dǎo)出ZMP公式，以重復(fù)的方式計(jì)算和校正腰部運(yùn)動(dòng)模式的近似解，一直到力矩收斂到小于允許值ε的值為止。
圖28示出用于生成有腿可移動(dòng)機(jī)器人100的全身具體運(yùn)動(dòng)模式的修正實(shí)施例的處理過(guò)程的流程圖。與在圖27所示的實(shí)施例中一樣，假定使用線性非干涉多質(zhì)點(diǎn)近似模型表述機(jī)器人100的各個(gè)關(guān)節(jié)位置和運(yùn)動(dòng)。
首先，設(shè)置用于實(shí)際確定各部分的驅(qū)動(dòng)和操作的模式，比如通過(guò)行走實(shí)驗(yàn)提供的腳部運(yùn)動(dòng)、從腳部運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)出的ZMP目標(biāo)軌跡、軀干運(yùn)動(dòng)、上肢運(yùn)動(dòng)、以及腰部的方向和高度(步驟S61)。應(yīng)該指出的是，僅在Z’方向上設(shè)置腰部的運(yùn)動(dòng)，并假定不知道在X’和Y’方向上的運(yùn)動(dòng)。
然后，使用線性非干涉多質(zhì)點(diǎn)近似模型，計(jì)算隨著腰部(r’hx，r’hy)在水平平面中的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的、在所設(shè)置的ZMP上的力矩(步驟S62)。
將腰部(r’hx，r’hy)在水平平面中的運(yùn)動(dòng)展開(kāi)為傅立葉級(jí)數(shù)(Fourierseries)(步驟S63)。如本領(lǐng)域所公知的，傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)將時(shí)域分量轉(zhuǎn)換成頻域分量。也就是說(shuō)，在該情況下，可以將腰部的運(yùn)動(dòng)理解為周期運(yùn)動(dòng)。另一方面，由于可以實(shí)施FFT(快速傅立葉變換)，所以能夠顯著提高運(yùn)算速度。
在所設(shè)置的ZMP上繞傾斜軸和滾動(dòng)軸的力矩(Mx，My)也可以擴(kuò)展為傅立葉級(jí)數(shù)(步驟S64)。
然后計(jì)算腰部在水平平面中的軌跡的傅立葉系數(shù)，并經(jīng)過(guò)反傅立葉級(jí)數(shù)擴(kuò)展(步驟S65)，得到腰部運(yùn)動(dòng)近似解(步驟S66)。在此得出的近似解是限定允許穩(wěn)定行走的腰部運(yùn)動(dòng)模式的腰部絕對(duì)水平位置的近似解(r’hx，r’hy)，更具體地說(shuō)，是使ZMP進(jìn)入目標(biāo)位置的腰部的絕對(duì)水平位置。ZMP目標(biāo)位置通常設(shè)置在腳底接觸地面的位置。
如果根據(jù)所計(jì)算的近似解不能實(shí)現(xiàn)軀干和上肢的預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)，則重新設(shè)置和校正軀干和上肢的運(yùn)動(dòng)模式(步驟S67)。此時(shí)，還可以計(jì)算膝部的軌跡。
然后代入如上所述獲得的全身運(yùn)動(dòng)模式，以計(jì)算由剛體或大量質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的機(jī)器人100的精確模型中的力矩(eMx，eMy)(步驟S68)。盡管不精確的模型假定上述公式(4)成立，但是該假設(shè)在精確模型中是不需要的(也就是說(shuō)，不需要對(duì)于時(shí)間保持常數(shù))。
關(guān)于精確模型的力矩(eMx，eMy)是由腰部運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的力矩誤差。在下一步S69中，核實(shí)力矩(eMx，eMy)是否小于近似模型的允許值(εMx，εMy)。如果該力矩小于允許值ε，則得到能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定行走的穩(wěn)定的腰部運(yùn)動(dòng)和全身具體運(yùn)動(dòng)的模型的精確解(步驟S70)。至此，結(jié)束本例程。
相反，如果精確模型中的力矩(eMx，eMy)不小于近似模型中力矩的允許值(εMx，εMy)，則校正在不精確模型中已經(jīng)生成的力矩(Mx，My)(步驟S71)，并再次擴(kuò)展成傅立葉級(jí)數(shù)，以重復(fù)計(jì)算和校正腰部運(yùn)動(dòng)模式的近似解，一直到力矩收斂到小于允許值ε為止。
盡管已經(jīng)參照數(shù)個(gè)優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是非常清楚，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷幕蛱鎿Q。
在上述的各實(shí)施例中，將本發(fā)明應(yīng)用到靠?jī)蓷l腿行走的人性化機(jī)器人中。但是，本發(fā)明的應(yīng)用范圍并不僅限于兩條腿行走的機(jī)器人。例如，自然可以將本發(fā)明應(yīng)用到四條腿行走的寵物型機(jī)器人、其它有腿的機(jī)器人、以及有腿機(jī)器人之外的可移動(dòng)機(jī)器人中，具有相似的操作和結(jié)果。
前面描述的內(nèi)容僅用于說(shuō)明目的，而不應(yīng)以限制的方式進(jìn)行理解?？梢越Y(jié)合所附權(quán)利要求很好地理解本發(fā)明的主旨。
工業(yè)可應(yīng)用性本發(fā)明針對(duì)具有多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量由安裝在可移動(dòng)腿的腳底上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器進(jìn)行測(cè)量，并且其中根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器所測(cè)量的腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。因此，有腿可移動(dòng)機(jī)器人能夠在各種路面上行走，或者使用可移動(dòng)腿執(zhí)行其它各種運(yùn)動(dòng)操作。
權(quán)利要求
1.一種至少具有多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，包括安置在每一條可移動(dòng)腿的腳底上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，用于測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量；以及控制器，用于根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器所測(cè)量的腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器測(cè)量腳部相對(duì)于平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，和/或腳部繞著路面的法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器包括可旋轉(zhuǎn)裝配的球，其表面部分暴露在腳底外面；第一旋轉(zhuǎn)單元，用于檢測(cè)該球在第一方向上的旋轉(zhuǎn)；第二旋轉(zhuǎn)單元，用于檢測(cè)該球在第二方向上的旋轉(zhuǎn)；以及計(jì)算單元，用于計(jì)算在第一和第二方向上腳部相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器包括成像部件，用于對(duì)腳部的觸地面成像；圖像處理部件，用于以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔比較由成像部件拍攝的圖像；以及計(jì)算部件，用于根據(jù)圖像處理部件的圖像比較結(jié)果，以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔計(jì)算腳部相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器能夠測(cè)量腳部在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，并通過(guò)將以預(yù)設(shè)時(shí)間間隔測(cè)量的腳部在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量順序地連接來(lái)計(jì)算繞著路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，在每一個(gè)腳部上配置彼此隔開(kāi)的兩個(gè)或多個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，并且，其中將多個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器的測(cè)量結(jié)果相互進(jìn)行比較，以計(jì)算腳部繞路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)，并核實(shí)運(yùn)動(dòng)操作是否進(jìn)一步繼續(xù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)，核實(shí)運(yùn)動(dòng)操作是否進(jìn)一步繼續(xù)，并在控制器證實(shí)運(yùn)動(dòng)操作不能繼續(xù)的情況下，執(zhí)行預(yù)設(shè)的幫助請(qǐng)求操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)，并搜索路面狀況。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)，搜索路面狀況，并執(zhí)行相應(yīng)于搜索結(jié)果的操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，轉(zhuǎn)換為用于該路面的安全運(yùn)動(dòng)操作模式。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，所述安全運(yùn)動(dòng)操作模式至少是擴(kuò)大腳部接觸路面的傾角、降低運(yùn)動(dòng)速度、減小每一條可移動(dòng)腿的步幅、以及校正ZMP軌跡中的一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，在路面上行走期間，控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，轉(zhuǎn)換為所搜索的路面狀況下的運(yùn)動(dòng)操作。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有腿可移動(dòng)機(jī)器人，其中，在路面上行走期間，控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，執(zhí)行選擇適合于路面的腳底的處理。
16.一種用于控制至少具有多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，包括測(cè)量步驟，用于當(dāng)各條可移動(dòng)腿接觸地面時(shí)測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量；以及控制步驟，用于根據(jù)所測(cè)量的腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中測(cè)量步驟測(cè)量腳部相對(duì)于與路面平行的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，和/或腳部繞著路面的法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，還包括計(jì)算步驟，用于通過(guò)將以預(yù)設(shè)時(shí)間間隔在測(cè)量步驟中所測(cè)量的、腳部在平行于路面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量順序地連接，計(jì)算繞著路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，所述測(cè)量步驟包括計(jì)算步驟，用于在兩個(gè)或多個(gè)彼此隔開(kāi)的點(diǎn)上測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量、并將在兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)上測(cè)量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量相互進(jìn)行比較，以計(jì)算腳部繞路面法線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)，并核實(shí)是否可以進(jìn)一步繼續(xù)運(yùn)動(dòng)操作。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)，核實(shí)運(yùn)動(dòng)操作是否進(jìn)一步繼續(xù)，并在控制器證實(shí)運(yùn)動(dòng)操作不能繼續(xù)的情況下，執(zhí)行預(yù)設(shè)的幫助請(qǐng)求操作。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)，并搜索路面狀況。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，所述控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，暫停在路面上的運(yùn)動(dòng)，搜索路面狀況，并執(zhí)行相應(yīng)于搜索結(jié)果的操作。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，在路面上運(yùn)動(dòng)期間，控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，轉(zhuǎn)換為用于該路面的安全運(yùn)動(dòng)操作模式。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，所述安全運(yùn)動(dòng)操作模式至少是擴(kuò)大腳部接觸路面的傾角、降低運(yùn)動(dòng)速度、減小每一條可移動(dòng)腿的步幅、以及校正ZMP軌跡中的一種。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，在路面上行走期間，控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，轉(zhuǎn)換為所搜索的路面狀況下的運(yùn)動(dòng)操作。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于控制有腿可移動(dòng)機(jī)器人的方法，其中，在路面上行走期間，控制器響應(yīng)腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，執(zhí)行選擇適合于路面的腳底的處理。
29.一種用于有腿可移動(dòng)機(jī)器人的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，用于測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，該傳感器可用于至少包括多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的腳部，所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器包括可旋轉(zhuǎn)裝配的球，其表面部分暴露在腳底外面；第一旋轉(zhuǎn)單元，用于檢測(cè)該球在第一方向上的旋轉(zhuǎn)；第二旋轉(zhuǎn)單元，用于檢測(cè)該球在第二方向上的旋轉(zhuǎn)；以及計(jì)算單元，用于計(jì)算在第一和第二方向上腳部相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
30.一種用于有腿可移動(dòng)機(jī)器人的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器，用于測(cè)量腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，該傳感器可用于至少包括多條可移動(dòng)腿的有腿可移動(dòng)機(jī)器人的腳部，所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器包括成像部件，用于對(duì)腳部的觸地面成像；圖像處理部件，用于以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔比較由成像部件拍攝的圖像；和計(jì)算部件，用于根據(jù)圖像處理部件的圖像比較結(jié)果，以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔計(jì)算腳部相對(duì)于路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
全文摘要
一種配置有多條可移動(dòng)腿、靠腿移動(dòng)的機(jī)器人,包括配置在每一條可移動(dòng)腿的腳上的、用于核實(shí)腳和路面之間的地面接觸狀況的路面接觸傳感器、以及用于測(cè)量路面和觸地腿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器所測(cè)量的腳部和路面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量,控制該機(jī)器人的操作,從而,即使實(shí)際路徑偏離計(jì)劃或預(yù)定路徑時(shí),也能夠?qū)嵤┳赃m應(yīng)操作控制以便執(zhí)行操作。
文檔編號(hào)G05D3/12GK1372504SQ01801200
公開(kāi)日2002年10月2日 申請(qǐng)日期2001年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月3日
發(fā)明者山口仁一, 服部裕一 申請(qǐng)人:索尼公司, 山口仁一