双足步行式移动装置、其步行控制器及步行控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种双足步行式移动装置，即使在致使站立不稳的湿地面、冰、泥地或厚地毯等路面状况下或例如因路面不规则而只有一部分足底接触地面上时也能实现步行稳定性；还提供了用于双足步行式移动装置的步行控制器和步行控制方法。步行控制器（３０）包括：力传感器（２３Ｌ，２３Ｒ），其检测作用在足部（１４Ｌ，１４Ｒ）的足底上的力，以基于步态数据驱动控制双足步行式移动装置腿部的关节部（１５Ｌ、１５Ｒ至２０Ｌ、２０Ｒ）的驱动装置；以及补偿部分（３２），其基于力传感器检测的力的水平地面反作用分量对来自步态生成部分（２４）的步态数据进行修正，每个力传感器（２３Ｌ，２３Ｒ）包括设在分割成多部分的每个足部（１４Ｌ，１４Ｒ）的足底的每个分割部分上的三轴力传感器。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
双足步行式移动装置、其步行控制器及步行控制方法
本专利技术涉及一种双足步行式移动装置，具体地讲，涉及该装置中的能够使步行稳定的步行控制器。
技术介绍
传统的双足步行式机器人被设计成这样，即可生成预定的步行模式(以下称为步态)数据，根据步态数据控制步行，以及通过预定的步行模式驱动腿部，从而可实现双足步行。然而，对于这种双足步行式机器人来说，步行姿势会由于例如路面状况或机器人自身的物理参数的误差和其他因素而变得不稳定。因此，这种双足步行式机器人在有些情况下无法使用。另一方面，如果是在实时地识别机器人的步行状态而不是使用预定的步态数据的情况下执行步行控制，就可以使步行姿势稳定，但是，即使在这种情况下，如果遇到了无法预知的路面状况或类似情况，步行姿势也会失去平衡，并使机器人无法工作。由于这种原因，所谓的ZMP(零力矩点)补偿是必需的，在这种情况下，当每次地面反作用力和重力的合成力矩变为零时的机器人的足底上的点会在步行控制的作用下接近于目标值。ZMP补偿用的控制方法已为大家所公知，包括以下两种：一种方法描述于JP 5-305583中，其中，柔顺控制用于使ZMP接近于目标值，从而可加速机器人的上体；以及另一种方法，其中，机器人的足部正要着地的位置得到了修改。-->在此，在这些控制方法中机器人的稳定化是ZMP调节的目标，并且在这种ZMP调节中，前提是机器人的每个足部均不能在地面上滑动。然而，对于这种构造的双足步行式机器人来说，在机器人的每个足底例如在可使足部姿态不稳定的诸如湿地、冰、泥或长绒毛地毯的路面上的情况下，精确ZMP补偿将变得不可能，并且机器人的稳定性得不到保持，从而，会使其双足步行变得非常困难。
技术实现思路
考虑到上述问题，本专利技术的目的是提供一种双足步行式移动装置、其步行控制器以及用于此的步行控制方法，以便即使在可使足底滑动的不稳路面上也能实现步行稳定性。上述目的可根据本专利技术的第一个方面而实现，该方面提供了一种双足步行式移动装置，其包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使所述腿部、膝部和足部转动；步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；以及步行控制器，其用于基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作。其特征在于，所述步行控制器包括：力传感器，它们用于检测作用在各个足部的足底上的力；以及补偿部分，其用于基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。根据本专利技术的双足步行式移动装置优选设有所述本体，所述-->本体是类人机器人的上体，并且连接有一个头部和两个手部，而且其每个足部的足底均被分割成多个部分，每个分割部分均设有力传感器。根据本专利技术的双足步行式移动装置优选是这样的，即设在所述每个分割部分上的力传感器是三轴力传感器，并且，所述补偿部分基于来自每个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。所述补偿部分优选通过自动校准操作自动地校准来自每个所述力传感器的检测信号。上述目的还可根据本专利技术的第二个方面而实现，该方面提供了一种双足步行式移动装置的步行控制器，所述双足步行式移动装置包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；以及步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；其中，所述步行控制器基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作。其特征在于，所述步行控制器包括：力传感器，它们用于检测作用在各个足部的足底上的力；以及补偿部分，其用于基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。根据本专利技术的双足步行式移动装置的步行控制器优选是这样的，即其每个足部的所述足底均被分割成多个部分，并且每个分割部分均设有力传感器。设在所述每个分割部分上的力传感器优选是三轴力传感器，并且所述补偿部分基于来自每个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。所述补偿部分优选通过自动-->校准操作自动地校准来自每个所述力传感器的检测信号。上述目的还可根据本专利技术的第三个方面而实现，该方面提供了一种双足步行式移动装置的步行控制方法，所述双足步行式移动装置包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；以及步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；其中，所述步行控制方法基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作。其特征在于，所述步行控制方法包括：第一步，通过力传感器检测作用在各个所述足部的足底上的力；以及第二步，基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。根据本专利技术的双足步行式移动装置的步行控制方法优选是这样的，即其每个足部的所述足底均被分割成多个部分，并且每个分割部分均设有力传感器。设在所述每个分割部分上的力传感器优选是三轴力传感器，并且，所述补偿部分基于来自每个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。所述补偿部分优选通过自动校准操作自动地校准来自每个所述力传感器的检测信号。根据上述方面，所述驱动装置可由所述补偿部分基于设在每个所述足部的足底上的所述力传感器检测的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的步态数据进行调节而得到驱动控制。因此，当机器人接触可使机器人的足部的每个足底滑动的地面上时，本体优选机器人的上体的稳定化是基于由足底和地面之间的摩擦-->力产生的水平地面反作用力调节所述步态数据的目标。通过该过程，即使在例如可使机器人的足部的每个足底滑动的诸如使足部姿态不稳定的湿地、冰、泥或长绒毛地毯的路面上的情况下，也能够保持机器人的稳定性，从而，可使可靠的步行控制成为可能。在每个足部的足底均被分割成多个部分且所述每个分割部分均设有力传感器的情况下，由于水平地面反作用力能够总体上由设在每个所述分割部分上的所述力传感器检测到，因此，在机器人的每个所述足部处于着地状态时，作用于分别设在每个所述分割部分上的每个所述力传感器上的力是分散的。从而，能够使用小和轻质的力传感器，进而能够降低成本。而且，由于每个所述力传感器的分辨率因作用在其上的力分散而得到了提高，因此，为获得相同的分辨率，能够使用低质量和低成本的AD转换器对每个所述力传感器的检测信号进行AD转换。此外，在机器人的每个足部仅有一部分位于地面上的情况下，水平地面反作用力也能够得到可靠地检测。因此，机器人的稳定性能够得到保持，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双足步行式移动装置，包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上 ；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；以及步行控制器，其用于基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作；其 特征在于：所述步行控制器包括：力传感器，它们用于检测作用在各个足部的足底上的力；以及补偿部分，其用于基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。

【技术特征摘要】
JP 2001-12-19 386693/20011.一种双足步行式移动装置，包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；以及步行控制器，其用于基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作；其特征在于：所述步行控制器包括：力传感器，它们用于检测作用在各个足部的足底上的力；以及补偿部分，其用于基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。2.如权利要求1所述的双足步行式移动装置，其特征在于，所述本体是设有一个头部和两个手部的类人机器人的上体。3.如权利要求1或2所述的双足步行式移动装置，其特征在于，各个足部的所述足底均被分割成多个部分，并且每个分割部分均设有力传感器。4.如权利要求1至3中任一所述的双足步行式移动装置，其特征在于，设在所述每个分割部分上的所述力传感器是三轴力传感器，并且所述补偿部分基于来自各个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。5.如权利要求4所述的双足步行式移动装置，其特征在于，所述补偿部分可通过自动校准操作自动地校准来自各个所述力传感器的检测信号。6.一种用于双足步行式移动装置的步行控制器，所述双足步行式移动装置包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；以及步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；其中，所述步行控制器基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作；其特征在于：所述步行控制器包括：力传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：北野宏明，古田贵之，奥村悠，田原哲雄，
申请(专利权)人：独立行政法人科学技术振兴机构，
类型：发明
国别省市：JP[日本]