提供一種確定雙腳行走機(jī)器人的腳的著地位置和著地時(shí)機(jī)的方法。該方法使用預(yù)先給定的著地時(shí)機(jī)來解ZMP方程式，該ZMP方程式表示包含只用第一腳站立的第一單腿接地期間和在第一單腿接地期間之后只用第二腳站立的第二單腿接地期間的重心軌跡。由此算出表示第二單腿接地期間內(nèi)的ZMP位置的第二腳ZMP位置。當(dāng)算出的第二腳ZMP位置脫離了與第二腳的可著地區(qū)域相對應(yīng)地規(guī)定的第二腳ZMP允許區(qū)域時(shí)，修正著地時(shí)機(jī)，以使第二腳ZMP位置落入第二腳ZMP允許區(qū)域內(nèi)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及雙腳行走機(jī)器人。
技術(shù)介紹
雙腳行走機(jī)器人(Biped Walking Robot)在重復(fù)用單腳站立的單腿接地期間和用雙腳站立的雙腿接地期間的狀態(tài)下行走。在單腿接地期間，雙腳行走機(jī)器人容易摔倒。雙腳行走機(jī)器人如果不恰當(dāng)?shù)貨Q定腳著地位置和著地時(shí)機(jī)就會(huì)摔倒。以下，在本說明書中，將 “不摔倒而行走”記為“穩(wěn)定地行走”。此外，為了簡便，以下將雙腳行走機(jī)器人簡稱為“機(jī)器人”。 ZMP方程式常用來確定用于穩(wěn)定行走的腳的著地位置。如在雙腳行走機(jī)器人的
中所熟知，ZMP和ZMP方程式是由MiomirVukoburatoric在1972年提出的。ZMP是指地面反作用力的壓力中心。ZMP方程式相當(dāng)于機(jī)器人重心的運(yùn)動(dòng)方程式。在ZMP方程式中，機(jī)器人重心的加速度被表示為ZMP的函數(shù)。若在預(yù)定條件下解ZMP方程式，可算出能夠?qū)⒅匦奈恢?和/或速度)維持在預(yù)定范圍內(nèi)的ZMP位置的時(shí)間序列(ZMP軌跡)。將重心位置(和/或速度)維持在預(yù)定范圍內(nèi)即表示穩(wěn)定地行走。另一方面，由于ZMP是地面反作用力的壓力中心，因此實(shí)際的ZMP必定存在于腳接地區(qū)域內(nèi)(準(zhǔn)確來說，ZMP存在于由接地腳形成的支撐多邊形內(nèi))。S卩，實(shí)際的ZMP由腳的著地位置和著地時(shí)機(jī)決定。以實(shí)現(xiàn)所算出的ZMP軌跡的方式?jīng)Q定的腳的著地位置和著地時(shí)機(jī)原則上保證穩(wěn)定行走。但是，外擾、計(jì)算誤差、或地面的凹凸不平可能會(huì)損害穩(wěn)定行走，因此應(yīng)注意到由ZMP方程式得到的腳的著地位置和著地時(shí)機(jī)并不是嚴(yán)格保證穩(wěn)定行走的。在口本專利公開公報(bào)特開平05-337849號(hào)(專利文獻(xiàn)I)和口本專利公開公報(bào) 2004-167676號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)中，公開了基于ZMP方程式確定著地位置的方法的例子。 尤其在專利文獻(xiàn)2中公開了將始端和終端的重心速度作為邊界條件解ZMP方程式的方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
以往，在預(yù)先規(guī)定著地時(shí)機(jī)后通過解ZMP方程式來計(jì)算著地位置。著地時(shí)機(jī)表示行走速度，因此預(yù)先規(guī)定行走速度就相當(dāng)于規(guī)定著地時(shí)機(jī)。通常是在以恒定速度行走的這一條件下計(jì)算著地位置的。具體來說，將要關(guān)注的區(qū)間的始端和終端處的重心位置和/或速度作為邊界條件給定，并給定著地時(shí)機(jī)(行走速度)來計(jì)算滿足ZMP方程式的ZMP位置。 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走的著地位置以使算出的ZMP位置存在于腳和地面接觸的地面內(nèi)的方式被規(guī)定。著地時(shí)機(jī)、即行走速度被預(yù)先調(diào)節(jié)以不超過腳動(dòng)作速度、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度等機(jī)構(gòu)性限制。如果能夠靈活改變著地時(shí)機(jī)，行走的穩(wěn)定性就會(huì)增加。例如，在由于外擾等而重心速度(向前的速度)增大了的情況下，如果不向前偏移腳著地位置而是提前著地時(shí)機(jī)，能夠避免摔倒的可能性就會(huì)變高。或者在為了避開預(yù)想不到的障礙物而實(shí)時(shí)改變著地位置的情況下，通過不僅改變著地位置還改變著地時(shí)機(jī)，可增加行走穩(wěn)定性。但是，據(jù)專利技術(shù)人所知，目前還沒有確立在決定著地位置之后在保證行走穩(wěn)定性的限制下調(diào)整著地時(shí)機(jī)的技術(shù)。本說 明書提供恰當(dāng)?shù)厍蟪鲭p腳行走機(jī)器人的著地位置和著地時(shí)機(jī)的技術(shù)。本說明書公開的技術(shù)之一是提供一種確定雙腳行走機(jī)器人的腳的著地位置和著 地時(shí)機(jī)的方法。該方法包括ZMP計(jì)算步驟和著地位置確定步驟。ZMP計(jì)算步驟給定預(yù)先規(guī) 定的著地時(shí)機(jī)(預(yù)定著地時(shí)機(jī))來解ZMP方程式，算出下一個(gè)單腿接地期間內(nèi)的第二腳ZMP 位置。更詳細(xì)來說，在該步驟中，給定重心軌跡的邊界條件和第二腳的著地時(shí)機(jī)來解ZMP方 程式，從而算出第二腳ZMP位置。邊界條件是包含雙腳行走機(jī)器人只用第一腳站立的第一 單腿接地期間和在第一單腿接地期間之后只用第二腳站立的第二單腿接地期間的重心軌 跡的始端和終端的邊界條件。邊界條件具體例如是始端的重心位置和速度、以及終端的重 心速度。始端可選擇當(dāng)前時(shí)刻。即，始端的重心位置和速度可以是通過傳感器測得的當(dāng)前 時(shí)刻的重心位置和速度。在此情況下，第一單腿接地期間相當(dāng)于當(dāng)前的單腿接地期間。著 地位置確定步驟確定第二腳的著地位置，以使算出的第二腳ZMP位置被包含在第二腳和地 面的接觸區(qū)域內(nèi)。“第一腳”相當(dāng)于雙腳行走機(jī)器人的一只腳，“第二腳”相當(dāng)于另一只腳。 此外，“第一腳”典型的相當(dāng)于當(dāng)前的單腿接地期間內(nèi)的站立腿，“第二腳”相當(dāng)于當(dāng)前的單 腿接地期間的擺動(dòng)腿。此外，“第二腳”相當(dāng)于下一個(gè)單腿接地期間內(nèi)的站立腿。ZMP計(jì)算步驟還在所算出的第二腳ZMP位置脫離了與第二腳的可著地區(qū)域相對應(yīng) 地規(guī)定的第二腳ZMP允許區(qū)域時(shí)，修正著地時(shí)機(jī)，以使第二腳ZMP位置落入第二腳ZMP允許 區(qū)域內(nèi)。給定重心軌跡的始端和終端的邊界條件來解ZMP方程式的技術(shù)基礎(chǔ)如上所述例 如已記載在專利文獻(xiàn)2中，因此拿來做參考。可著地區(qū)域如果是平坦地面，則可基于腳的可 動(dòng)范圍來規(guī)定。當(dāng)?shù)孛嫔洗嬖谡系K物時(shí)，可著地區(qū)域被設(shè)定為腳的可動(dòng)范圍中障礙物以外 的區(qū)域。上述的方法典型地確定下一步的著地位置和著地時(shí)機(jī)。在著地時(shí)機(jī)下基于ZMP方 程式算出的第二腳ZMP位置脫離了第二腳ZMP允許區(qū)域的情況相當(dāng)于無法確定確保行走穩(wěn) 定性的下一個(gè)著地位置的情況。在這種情況下，即在著地時(shí)機(jī)無法在可著地區(qū)域內(nèi)確定著 地位置的情況下,上述的方法調(diào)整著地時(shí)機(jī)。例如，當(dāng)在著地時(shí)機(jī)無法抑制終端的重心速度 時(shí)，通過提前著地時(shí)機(jī)來修正行走計(jì)劃以便比重心向前移動(dòng)更早地向前落腳，從而能夠抑 制重心速度。在上述的方法中，當(dāng)在著地時(shí)機(jī)下算出的第二腳ZMP位置在所設(shè)定的第二腳ZMP 允許區(qū)域內(nèi)時(shí)，直接采用著地時(shí)機(jī)。即，上述的方法判斷在著地時(shí)機(jī)能否達(dá)到穩(wěn)定行走，在 判斷為不能達(dá)到時(shí)修正著地時(shí)機(jī)。在該方法中，使用被變形為具有第一腳ZMP位置和第二腳ZMP位置作為變量的ZMP 方程式。第一腳ZMP位置表示第一單腿接地期間內(nèi)的ZMP位置。ZMP方程式是重心軌跡的 運(yùn)動(dòng)方程式，原本是使用ZMP位置的函數(shù)來表示重心加速度的。通過使用將ZMP位置作為 變量的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示重心位置并對該數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行積分，ZMP方程式被變換成ZMP的 初始位置和終端位置(即第一腳ZMP位置和第二腳ZMP位置)的函數(shù)。該方程式將在實(shí)施 例中進(jìn)行詳細(xì)說明。本說明書公開的方法的ZMP計(jì)算步驟更詳細(xì)來說包括使用了上述ZMP 方程式的下面的第一子步驟和第二子步驟。在第一子步驟中，在所述的邊界條件和預(yù)先規(guī)定的初始約束條件下計(jì)算滿足ZMP方程式的第一腳ZMP位置和第二腳ZMP位置。在第二子步驟中，當(dāng)算出的第二腳ZMP位置脫離了第二腳ZMP允許區(qū)域時(shí)，修正著地時(shí)機(jī)，以使ZMP方程式在將修正第二腳ZMP位置約束在第二腳ZMP允許區(qū)域內(nèi)的第二腳ZMP約束條件下成立。變換后的ZMP方程式具有第一腳ZMP位置的X坐標(biāo)和y坐標(biāo)、第二腳ZMP位置的 X坐標(biāo)和I坐標(biāo)這四個(gè)未知數(shù)(變量)。另一方面，ZMP方程式是有關(guān)X坐標(biāo)的等式和有關(guān) y坐標(biāo)的等式的聯(lián)立方程式。從而需要兩個(gè)約束條件來求出四個(gè)變量的解。該約束條件相當(dāng)于初始約束條件。初始約束條件例如可以是指定第一腳ZMP位置的條件。第一腳相當(dāng)于當(dāng)前站立腿，因此初始約束條件可以是將第一腳ZMP位置規(guī)定在當(dāng)前站立腿的腳接地面內(nèi)的條件。所述的第二腳ZMP約束條件優(yōu)選將第二腳ZMP位置約束在第二腳ZMP允許區(qū)域的外圍邊界。第二腳ZMP允許區(qū)域的邊界相當(dāng)于確保行走穩(wěn)定性的ZMP位置的界限。S卩，將第二腳ZMP位置約束在第二腳ZMP允許區(qū)域的邊界相當(dāng)于將第二腳ZMP位置規(guī)定在可本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】1.一種用于確定雙腳行走機(jī)器人的腳的著地位置和著地時(shí)機(jī)的方法，其中，所述雙腳行走機(jī)器人在重復(fù)單腿接地期間和雙腿接地期間的狀態(tài)下行走，所述方法的特征在于，包括 ZMP計(jì)算步驟，用于給定包含僅用第一腳站立的第一單腿接地期間和在第一單腿接地期間之后僅用第二腳站立的第二單腿接地期間的重心軌跡的始端和終端的邊界條件，并給定第二腳的著地時(shí)機(jī)來解ZMP方程式，從而計(jì)算表示第二單腿接地期間內(nèi)的ZMP位置的第二腳ZMP位置；以及 著地位置確定步驟，用于確定第二腳的著地位置，以使第二腳ZMP位置被包含在第二腳與地面的接觸區(qū)域內(nèi)； 其中，ZMP計(jì)算步驟在算出的第二腳ZMP位置脫離了與第二腳的可著地區(qū)域相對應(yīng)地規(guī)定的第二腳ZMP允許區(qū)域時(shí)，修正著地時(shí)機(jī)，以使第二腳ZMP位置落入第二腳ZMP允許區(qū)域內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述ZMP方程式具有第一腳ZMP位置和所述第二腳ZMP位置來作為變量，所述第一腳ZMP位置表示第一單腿接地期間內(nèi)的ZMP位置， 所述ZMP計(jì)算步驟包括 第一子步驟，用于在所述邊界條件和預(yù)先規(guī)定的初始約...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：土井將弘，
申請(專利權(quán))人：豐田自動(dòng)車株式會(huì)社，
類型：
國別省市：
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