机器人及机器人的姿态控制方法技术

机器人可移动部分的运动采取周期运动，以便机器人的姿态通过调节可移动部分的移动而在广义上得到稳定的控制。更具体地，一个或多个相位发生器用于机器人系统，且根据产生的相位来选择多个控制器中的一个。接着，控制器根据连续相位信息控制可移动部分的驱动。此外，实际相位根据物理系统而估计，相位发生器的频率和相位通过利用估计值来进行调节，同时机器人系统的物理相位和相位发生器受到交互诱导，因此可以通过有效地利用机器人的动态特性来控制机器人的运动。

【技术实现步骤摘要】
机器人及机器人的姿态控制方法
本专利技术涉及具有多个可移动部分，例如腿的机器人，以及控制这种机器人的姿态的方法。特别是，本专利技术涉及按照预定稳定标准自主保持其姿态稳定性的机器人，以及控制这种机器人姿态的方法。尤其是，本专利技术涉及不采用ZMP(零力矩点，zero moment point)作为稳定标准的控制其身体姿态的稳定性的机器人，以及控制这种机器人姿态的方法。尤其是，本专利技术涉及通过关注机器人的移动部分的周期性运动来控制其身体姿态的稳定性的机器人，以及控制这种机器人的姿态的方法。本申请要求于2003年8月25日申请的日本专利申请第2003-300521号和于2004年8月11日申请的日本专利申请第2004-234022号的优先权，上述申请在此作为参考并入。
技术介绍
通过电和/或磁操作，适合于按照类似于人类运动的方式运动的机械设备被称作“机器人”。据说“机器人”这个词是从斯拉夫语“ROBOTA”(奴隶机器)演化而来的。在日本，从60后代后期机器人开始变得流行起来，尽管它们中许多是工业机器人，例如为工厂的自动化生产操作和节省人力的目的而安装的机械手和传送机器人。近年来，对装配有可移动的腿，并适合于站着工作的机器人进行了研究和开发。对于将这种可移动的机器人投入实际应用的期望非常高。两条腿的模拟人类运动的可移动机器人被称为具有人类特点的机器人。尽管与爬行类的机器人和四腿或六腿的机器人相比，基于人类两足运动的机器人伴有不稳定问题和难于进行姿态控制和行走控制的问题，它们仍然具有优越性，包括它们可自己适应不平的地面、路上带障碍和有起伏的行走表面以及不连续的行走表面，例如逐渐上升和下降的楼梯和梯子，从而可以以灵活的方式移动。-->已经提出大量技术用于两腿可移动机器人的姿态控制和稳定行走。在此使用的稳定“行走”定义为“使用腿，而不蹒跚并跌倒的移动”。当机器人的身体蹒跚并跌倒时，意味着将中止机器人正在进行的操作，并且机器人将花费大量的能量和时间用于从跌倒的位置站立起来，重新开始操作。另外，当机器人蹒跚并跌倒时，增加了机器人本身和/或跌倒的机器人碰撞的物体遭到致命损坏的危险。因此，防止机器人蹒跚并跌倒的姿态/稳定性控制是开发两腿可移动机器人需要优先解决的问题之一。基于人类两足运动的机器人的站立姿态作为基本姿态是不稳定的。通常采用ZMP(零力矩点)作为两腿可移动机器人的行走稳定性的标准。采用ZMP来评价行走的稳定性是根据d’Alembert的理论，即行走系统施加到地面表面的重力和惯性力及它们的力矩(moment)分别与地面表面施加到行走系统的反作用力及其力矩相平衡。作为动态特性框架的推理结果，存在一个俯仰轴力矩和翻滚轴力矩都等于零的点，或在由相对于地面的底部和地面表面足底的接触点所形成的支撑多边形(或ZMP稳定区域)的一个边上，或在其内部的一个ZMP点(参见非专利参考文献1)。基于ZMP标准的两足行走模式的产生具有优越性，包括有可能预先定义足底接触点，同时，考虑脚尖相应于地面表面的轮廓的运动约束也是容易的。另外，采用ZMP评估稳定性意味着并不是力，而是运动轨迹被作为控制运动的目标进行处理，从而在技术上更加可行。当计划进行运动，以在每时每刻获得动态平衡时，目标ZMP控制已经在真正的机器人上得到成功。采用ZMP作为稳定性标准的运动产生技术可以真正实现稳定的两足行走，因而是已被证实的技术。换句话说，在一个方面，基于ZMP的稳定性控制一直由一个等式限定，因此为了按照ZMP标准设计运动轨迹，必须对机器人自身和环境进行精确建模，同时，通过高精确度的轨迹跟踪控制系统，一直使计划与环境模型相匹配。换句话说，基于ZMP的稳定性控制伴有对于未知环境的适应性的问题。求解ZMP等式的过程需要相当繁重的计算花费，因而在实时控制情况下是非常困难的。满足ZMP等式对于机器人的姿态稳定性控制是充分条件，而不是必要条件。很明显，人类的行走并不需要最大化ZMP稳定裕度。换句话说，人类利用自身具有的生物结构行走，适当地应用四肢的从动动-->态特性(passive dynamics)，而不依靠ZMP。如果机器人可以精确地应用从动动态特性，它也有可能实现具有高能量转换效率的行走运动，既不需要精巧的设计模型(从而也不需要计算操作的繁重的计算花费)，也不需要大驱动力矩的致动器。例如，可以认为行走运动为周期性的运动，并认为至少机器人的每个移动部分的部分为物理振荡器。于是，有可能通过确定或控制振荡器的相位和振荡频率来控制机器人的行走。当继续进行这种周期性运动时，可以将其作为“稳定的行走”。如果在一个周期内有一个时刻，失去了动态平衡，进而失去稳定性时(根据ZMP理论)，只要通过重复该周期来恢复稳定的限制周期，有可能继续行走运动。更进一步，如果在一定时期内没有恢复稳定限制周期，只要在一个实际的时间周期内将运动收敛于恒定的周期性运动，运动也能够继续。如果通过关注机器人的行走运动而如此定义稳定性，则可能实现“全面的稳定性”，这是因为如果使机器人面临外部的未知干扰，其能在几个周期内恢复稳定状态。于是，结果是，既不需要精确的模型，也不需要精确的轨迹跟踪控制。另外，可降低致动器的增益，从而可能减少花费，同时，以小增益提高稳定性。(换句话说，如果需要精确的模型和精确的轨迹跟踪控制，则由于需要高增益和精度，则将提高花费)。更进一步，从全面的观点来看，允许机器人离开稳定区。然后，可以采用种种模式实现行走和其他腿的运动(姿态)，以提高机器人的表达潜力，并改进对于环境的适应性。关注行走运动周期的利用腿移动的机器人的行走技术包括从生物学上得到启示的四足动物机器人在不规则区域上的适应性的动态行走(参见非专利文献D2)以及在外部干扰下重新设定节奏与人类的两足行走运动的行走的动态稳定性之间的关系(参见非专利文献D3)。根据前述的文献，通过在在独特的非线性动态特性基础上耦合机械系统和神经系统而形成的动态系统与环境的交互作用下，创造性地产生了适应性运动。然而，上述文献记载相位和频率是由非线性的不等式(Matsuoka振荡器)诱导，揭示了不可能获得物理振荡器的相位的分析结果，从而不可能在数学上设计该系统。简而言之，不可能得到任何特定的设计理论。根据最后一篇文献，通过对两足行走运动应用动态模型有可能在数学上分析包含相位复位的运动轨迹与动态稳定性之间的关系。然而，这只描述了在已-->知的外部干扰之后通过开环方法，立即调节物理振荡器的相位，缺少从物理系统的任何反馈，因而缺少对未知状态和外部干扰的适应性。【非专利文献1】Miomir Vukobratovic，“利用腿运动的机器人”(IchiroKato等人的，“行走机器人及人造脚”，Nikkan Kogyo Shinbun公司)。【非专利文献2】Fukuoka等人的，“从生物学上得到启发的四足动物在不规则区域上的适应性动态行走-耦合神经-机械系统的设计原理及对于倾斜(pitch)运动、CPG和滚动运动之间的互相诱导的估计”(日本机器人世界杂志，第21卷，5号，2003年7月)【非专利文献3】Yamazaki等人的，“在外部干扰下的节奏复位与人类两足行走运动的动态稳定性之间的关系”，(IEICE技术报告，电子、信息和通信工程师协会，)
技术实现思路
根据上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有多个可移动部分的机器人，该机器人包括：相位信号发生装置，用来产生与至少部分可移动部分的周期运动相关的相位信号；控制装置，用来根据相位信号产生对于可移动部分的控制信号；驱动装置，用来根据控制信号驱动可移动部分； 状态量检测装置，用来检测驱动装置所驱动的可移动部分的状态量；以及估计装置，用来根据状态量估计可移动部分周期运动的相位或角频率；相位信号发生装置适于根据估计装置所估计的相位或角频率来更新相位信号。

【技术特征摘要】
JP 2003-8-25 2003-300521;JP 2004-8-11 2004-2340221.一种具有多个可移动部分的机器人，该机器人包括：相位信号发生装置，用来产生与至少部分可移动部分的周期运动相关的相位信号；控制装置，用来根据相位信号产生对于可移动部分的控制信号；驱动装置，用来根据控制信号驱动可移动部分；状态量检测装置，用来检测驱动装置所驱动的可移动部分的状态量；以及估计装置，用来根据状态量估计可移动部分周期运动的相位或角频率；相位信号发生装置适于根据估计装置所估计的相位或角频率来更新相位信号。2.根据权利要求1的机器人，其中控制装置包括多个具有不同控制规则的控制器，并根据相位信号选择一适当的控制器，该选择的控制器根据相位信号产生对可移动部分的控制信号。3.根据权利要求1的机器人，其中可移动部分具有一个或多个关节，状态量检测装置检测该一个关节或各个关节的角度和角速度作为状态量，同时估计装置根据该一个关节或各个关节的角度和角速度来估计与该一个关节或各个关节的周期运动相关的相位或角频率。4.根据权利要求1的机器人，其中该机器人具有多个可移动腿作为可移动部分，且状态量检测装置检测由各可移动腿的足底所受到的地面反作用力作为状态量，同时估计装置根据各可移动腿的足底所受到的地面反作用力来估计各可移动部分的周期运动的相位或角频率。5.相据权利要求1的机器人，其中机器人具有多个可移动腿作为可移动部分，且状态量检测装置检测各可移动腿的足底在移动方向或垂直于移动方向的方向上所受到的摩擦力作为状态量，同时估计装置根据各可移动腿的足底从地面所受到的摩擦力来估计各可移动部分的周期运动的相位或角频率。6.根据权利要求1的机器人，其中该机器人具有躯干部分，该状态量检则装置检测躯干部分的倾斜度作为状态量，同时估计装置根据躯干部分的倾斜度来估计各可移动部分的周期运动的相位或角频率。7.根据权利要求1的机器人，其中状态量检测装置检测机器人或各可移动部分的加速度作为状态量，并且估计装置根据该加速度来估计各可移动部分的周期运动的相位或角频率。8.根据权利要求1的机器人，其中估计装置响应预定事件的发生，复原与该关节或各关节的周期运动相关的相位。9.根据权利要求1的机器人，其中估计装置学习与状态量检测装置所检测到的状态量以及各可移动部分的频率相关的训练信号，并根据所学的训练信号来估计相位或角频率。10.根据权利要求1的机器人，其中估计装置由一神经网络所构成，适于根据状态量检测装置所检测的状态量来输出与各可移动部分的周期运动相关的相位或角频率。11.根据权利要求1的机器人，其中该机器人包括多个认为在作周期运动的可移动部分，且控制装置为每个认为在作周期运动的可移动部分提供一控制器，该机器人进一步包括协调装置，用来协调来自可移动部分的各控制器的控制量，以实现整个机器人的协调运动。12.根据权利要求1的机器人，其中该机器人包括多个认为在作周期运动的可移动部分，以及不认为在作周期运动的可移动部分，该机器人进一步包括：第二控制装置，用来根据那些不认为在作周期运动的可移动部分的控制规则，来产生控制信号；以及协调装置，用来协调来...

【专利技术属性】
技术研发人员：远藤玄，川人光男，高登程，中西淳，森本淳，
申请(专利权)人：索尼株式会社，株式会社国际电气通信基础技术研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]