有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法以及机器人装置制造方法及图纸

一种有腿移动式机器人，当施加在它上面的外力或外力矩过高且不能设计脚部动作时将放弃正常行走动作并开始跌倒动作。这时，身体的支承多边形的面积Ｓ随时间ｔ的变化量ΔＳ／Δｔ最小，且当身体落在地板上时，支承多边形增至最大，以将身体落在地板上时由地板作用在身体上的冲击分散到整个身体上，从而使得对身体的损害减至最小。而且，该有腿移动式机器人能自己从地板姿势例如仰卧姿势或俯卧姿势返回站立姿势。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，该机器人有大量的关节自由度，本专利技术还涉及机器人装置；尤其是，本专利技术涉及一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，该机器人有包括多个可活动的腿，并有基本站立姿势，本专利技术还涉及机器人装置。特别是，本专利技术涉及一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，其中，ZMP(零力矩点)用作姿势稳定性确定标准，以控制躯体在运动过程中的位置以及使躯体稳定，尤其是，本专利技术涉及一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，其中，通过在跌倒(倒下)或下落过程中对整个躯体进行动作控制，从而尽可能地减小否则将对该机器人产生的损害，且通过利用相对较低力矩的稳定运动，使得(机器人)从在地面上的姿势例如仰卧姿势或俯卧姿势恢复到站立姿势，本专利技术还涉及机器人装置。
技术介绍
利用机械或磁作用而进行类似人体动作的运动的机械装置称为“机器人”。据说词“机器人(robot)”起源于斯拉夫语的词“ROBOTA”(从动机)。在日本，机器人在二十世纪六十年代末期开始流行。不过，它们的大部分是工业机器人，例如机械手或运输机器人，在工厂中用于实现生产的自动化和无人化。近年来，已经进行了关于有腿移动式机器人的研究和发展，且预计实际使用的有腿移动式机器人在不断增加，该有腿机器人例如宠物类型机器人，它们模仿进行四脚行走的动物(例如狗或猫)的身体机构和动作，或者称为“类似人”或“人形”的机器人(人形机器人)，它们设计成模拟进行两足直立行走的动物(例如人)的身体机构和动作。对称为类似人或人形的机器人的、双足运动类型的有腿移动式机器人进行研究和开发的意义，可以从以下两个观点来领会。其中一点是人文科学观点。特别是，开始行走的人的自然运动的机理可以在工程意义上通过以下方法来阐明，即制造具有类似于人体的下肢和/或上肢的结构的机器人，且该机器人的控制方法设计成模拟人类的行走动作。预计该研究的结果可以对其它各种研究领域的进步有重要影响，这些研究领域涉及人的运动机理，例如人体工程、康复工程或运动工程。另一点是用于实际应用的机器人的发展，该机器人作为人类的伙伴，支持人类的生活，也就是，该机器人在每天生活的居住环境和其它各种场所中支持人的活动。上述类型的机器人需要在由各种生活环境的人进行教导的同时学习适应各种不同身份的人以及适应环境的方法。这样，当机器人是“人形”机器人时，也就是当机器人有与人相同的形状或相同的结构时，考虑使机器人能够在人类和机器人之间进行有效的顺畅的沟通。例如，当试图实际向机器人教导一种穿过房间同时绕过它必须让开的障碍物的方法(作为教导目标的机器人是双足运动机器人，有与用户(操作人员)类似的外形)时，用户将更容易教导该机器人，且该机器人也比结构与用户完全不同的机器人更容易学习，这些与用户完全不同的机器人例如履带式机器人或四腿机器人(例如参考TAKANISHI的“Control of BipedalLocomotion Robot”，日本汽车工程师协会(Koso)的Kanto Branch，No.25，1996年，APRIL)。对于通过双足活动而进行腿的运动的机器人的姿势控制或稳定行走的技术，已经有大量的方案。这里，稳定“行走”可以定义为“通过使用腿而在不跌倒的情况下运行”。为了防止机器人跌倒，机器人的姿势稳定控制非常重要。这是因为机器人的跌倒意味着将打断正在进行的工作，并需要大量的人工和时间来使机器人从跌倒状态变成竖直站立并重新开始工作。重要的是，跌倒可能对机器人自身造成严重损害，或者还将损坏该跌倒的机器人所碰撞的物体。因此，在有腿移动式机器人的研究和发展中，在行走或腿的其它任何操作中，姿势稳定控制被认为是一个最重要的技术目标。当机器人行走时，重力和惯性力以及由重力引起的力矩和由行走运动产生的加速度将从机器人的行走系统作用在路面上。根据“d’Alembert原理”，它们与从路面作用到行走系统上的地面反作用力和地面反作用力力矩平衡。根据力学原理，俯仰轴力矩和滚转力矩为零处的点(也就是“ZMP(零力矩点)”)在由脚底和路面的着地点(接触点)形成的支承多边形的边上或内部。涉及有腿移动式机器人的姿势稳定控制以及防止在行走时跌倒的大部分方案利用ZMP作为确定行走的稳定性的准则。基于ZMP准则产生的双足运动模式优选是使脚底的着地点可以预先设置，且很容易考虑根据路面形状的脚底运动约束条件。而且，采用ZMP作为稳定性判断准则并不意味着不处理力，而是将轨迹作为动作控制的目标值，因此，它在技术上增加了可行性。应当知道，在Miomir Vukobratovi’c，“LEGGED LOCOMOTIONROBOTS”(Ichiro KATO等，“Walking Robot and Artificial Feet”，NikkanKogyo Shimbun，Ltd.)中公开了ZMP的概念以及将该ZMP用于稳定性判断准则。一般情况下，双足运动机器人例如人形的机器人与四脚行走机器人相比重心位置更高，且在行走时的ZMP稳定区域更窄。因此，由各种路面条件引起的姿势变化问题对于双足运动机器人特别重要。已有多个方案利用ZMP作为双足运动机器人的姿势稳定性判断准则。例如，日本特开平5-305579中公开的一种有腿移动式机器人通过使ZMP为零时在地面上的点与目标值重合而进行稳定行走。同时，日本特开平5-305581中公开的另一种有腿移动式机器人设置成使ZMP位于支承多面体(多边形)的内部，或者在着地或离地时使ZMP位于离支承多边形的端部有至少预定余量的位置处。这时，即使有腿移动式机器人受到某些扰动，它也有预定距离的ZMP余量，因此提高躯体在行走时的稳定性。另外，日本特开平5-305583公开了有腿移动式机器人的行走速度根据ZMP目标位置来控制。特别是，使用预先设定的行走模式数据，驱动腿部关节，这样，ZMP可以与目标位置重合，且检测躯体上部的倾斜度，并根据该检测值改变设定行走模式数据的排出率(discharging rate)。当机器人在未知的凹形或凸形地点行走并向前倾斜时，它的姿势可以通过提高排出率而恢复。而且，因为ZMP控制为目标位置，因此，即使在双支承情况下改变排出率时也没有问题。日本特开平5-305585公开了根据ZMP目标位置来控制有腿移动式机器人的着地位置。特别是，在所述专利文献中所述的有腿移动式机器人检测ZMP目标位置和实际测量位置之间的距离，并驱动一个或两个腿部，从而可以消除该距离。或者有腿移动式机器人检测环绕ZMP目标位置的力矩，并驱动腿部，从而可以使该力矩减为零。因此，该有腿移动式机器人可以稳定地行走。日本特开平5-305586公开了根据ZMP目标位置来控制有腿移动式机器人的倾斜姿势。特别是，检测环绕ZMP目标位置的力矩，且当出现力矩时驱动腿部，因此可以使力矩减至零，从而稳定地行走。采用ZMP作为稳定性判断准则的机器人的姿势稳定控制，基本在于试图使力矩为零的点处在由脚底和路面的着地点形成的支承多边形的边上或者该多边形内部。如上所述，对于有腿移动式机器人，试图采取引入ZMP作为姿势稳定准则这样的措施来防止机器人在行走过程中或者执行其它动作过程中跌倒。自然，机器人的跌倒状态意味着将打本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有腿移动式机器人的动作控制装置，该有腿移动式机器人包括可运动的腿，并可在站立姿势下进行腿操作，其特征在于：所述有腿移动式机器人有多个姿势或状态，且所述动作控制装置包括：第一装置，用于计算由所述有腿移动式机器人的身 体的着地点和地板形成的支承多边形的面积Ｓ；第二装置，用于计算支承多边形的面积Ｓ每时间Δｔ的变化ΔＳ／Δｔ；和第三装置，用于根据支承多边形的面积Ｓ或该面积Ｓ的变化率ΔＳ／Δｔ，在要改变位置或状态时，确定身体的动作。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：山口仁一，三上达郎，官本敦史，
申请(专利权)人：索尼公司，山口仁一，
类型：发明
国别省市：JP[日本]