專利名稱：控制兩足步行機器人的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制兩足步行機器人的方法，尤其涉及控制兩足步行機器人使其以適當(dāng)?shù)钠胶夥€(wěn)定行走的方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)兩足步行機器人中，步行模式數(shù)據(jù)(以下稱為步行姿態(tài)數(shù)據(jù))被預(yù)先輸入，并且步行的控制是基于步行姿態(tài)數(shù)據(jù)的。因此，兩條腿是根據(jù)步行控制而進(jìn)行運轉(zhuǎn)的，以便獲得兩足步態(tài)。
在傳統(tǒng)兩足步行機器人中，由于地面狀況、機器人的物理參數(shù)等使得兩足步態(tài)有可能不穩(wěn)。并且，有時機器人會摔倒。
步行控制可以基于機器人的實時情況，而無需預(yù)先輸入步行姿態(tài)數(shù)據(jù)。然而，不管實時情況是怎樣，由于地面狀況等未預(yù)料因素使得機器人有可能摔倒。
為了使兩足步態(tài)穩(wěn)定，需要利用ZMP(零矩點，zero moment point)對機器人進(jìn)行補償，在ZMP中，作用在機器人足底上的地面反作用力和重力所產(chǎn)生的合力矩等于零。作為ZMP補償?shù)囊粋€例子，在日本專利出版物No.1993-305586中公開了一種ZMP補償?shù)目刂品椒ǎ渲惺褂庙槕?yīng)性控制(compliance control)通過移動機器人的上體和修正機器人足部放置的位置來實現(xiàn)ZMP補償。
典型的是，作用在機器人足部上的地面反作用力可以通過應(yīng)變儀式測力傳感器進(jìn)行測量，在應(yīng)變儀式測力傳感器中，應(yīng)變儀連至在外力作用下能產(chǎn)生應(yīng)變的彈性體上，其中應(yīng)變儀形成惠斯通電橋電路的一部分。這里，應(yīng)變儀式測力傳感器將外力轉(zhuǎn)換成電信號。然而，這樣的測力傳感器應(yīng)該制造地非常精確，并且需要相對較多的附加電路，從而使得應(yīng)變儀式測力傳感器主要用于接收較大力的結(jié)構(gòu)，而不適于諸如步行機器人之類的小結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
由此，本發(fā)明的一方面是提供一種控制兩足步行機器人使其穩(wěn)定行走且保持適當(dāng)平衡的方法，其中使用了更有效的傳感器，并且使用所述傳感器檢測到的地面反作用力確定地面反作用力平面。
本發(fā)明的附加方面內(nèi)容和/或優(yōu)點將在以下的描述中部分得到闡述，部分從說明書中可以得到顯而易見的了解，或者可以通過實施本發(fā)明而得知。
通過提供一種控制兩足步行機器人的方法來實現(xiàn)本發(fā)明的前述和/或其他方面，其中所述兩足步行機器人具有主體、可移動地連接至主體下部相對側(cè)面的腿、以及驅(qū)動所述腿的致動器，所述兩足步行機器人基于檢測到的地面反作用力控制致動器以平衡機器人。所述方法包括為多個連至腿底部的傳感器的位置給定X和Y坐標(biāo)；為作用在腿底部至少三個點上的所檢測到的地面反作用力的值給定Z坐標(biāo)；基于檢測到的地面反作用力確定地面反作用力平面，并且計算垂直于地面反作用力平面的法向向量；計算圍繞X軸的橫搖角(roll angle)以及圍繞Y軸的縱搖角(pitch angle)，以使法向向量與重力方向上的參考向量對齊；以及響應(yīng)于橫搖角和縱搖角驅(qū)動致動器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，傳感器包括薄膜型力傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，為傳感器指定坐標(biāo)可以包括在每個腿的底部上且在矩形的角上排布多個傳感器；以及將矩形的對角線的交點看作坐標(biāo)系的原點。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，計算橫搖角和縱搖角包括通過解方程θx=sin-1(qq2+r2)]]>計算橫搖角；以及通過解方程θy=sin-1(pp2+r2)]]>計算縱搖角，其中p、q和r分別是垂直于地面反作用力平面的法向向量在X、Y和Z方向上的分量值。
附圖簡述結(jié)合附圖，通過對實施例的描述，本發(fā)明的這些和/或其他方面和優(yōu)點將變得更加清晰和易于理解，其中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的排布；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的給予傳感器的坐標(biāo)的例子；圖3和4示出根據(jù)本發(fā)明開方求地面反作用力平面的Z坐標(biāo)；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的地面反作用力平面、法向向量以及重力向量之間的關(guān)系；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的橫搖角和縱搖角；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的控制兩足步行機器人的方法的流程圖。
具體實施例方式
下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，本發(fā)明的例子示出在附圖中，其中相同的標(biāo)號指示相同的元件。下述實施方式旨在參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的排布。如圖所示，在兩足步行機器人中，傳感器3連至機器人足底1的各個角。
優(yōu)選地是，每個傳感器3是薄膜型力傳感器，例如力敏電阻器(FSR)。
FSR可以是通常用作計算器按鈕、電梯按鈕等等的數(shù)字開關(guān)類型的力敏電阻器，其將施加的壓力的改變轉(zhuǎn)換成電阻的改變。即，F(xiàn)SR是聚合物厚膜(PTF)器件，施加在其活性表面上的力的增加會引起它的電阻的減小。
FSR排布在機器人足底1的各個角處。每個FSR覆蓋有具有預(yù)定直徑的圓形橡膠墊，然后被連接至足底1的蓋板固定。通過這樣的結(jié)構(gòu)，機器人足底1被完全組裝，并且精確地檢測機器人的載荷。通過使用排布在足底1角上的FSR，與使用應(yīng)變儀式測力傳感器相比，降低了生產(chǎn)成本。
由此，根據(jù)本發(fā)明的兩足步行機器人使用了便宜的FSR，因為與收集來自傳統(tǒng)應(yīng)變儀式測力傳感器FSR的信息所需的系統(tǒng)相比，收集來自FSR的信息所需的附加系統(tǒng)比較簡單，因此FSR對于諸如步行機器人這樣的小結(jié)構(gòu)來說足夠了。
在圖2至6中，朝向X1和X2的方向表示向前的方向，并且機器人站在傾斜至向前方向的表面或地面。圖2至6示出機器人姿態(tài)的例子，然而機器人的姿態(tài)不限于所示例子。在圖2至6中，X1、X2、X3和X4表示在XYZ笛卡爾坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。這樣，在Z坐標(biāo)為零的情況下，X1、X2、X3和X4也可以被認(rèn)為表示XY平面中的兩維坐標(biāo)。
圖2示出為圖1中傳感器指定坐標(biāo)的坐標(biāo)例子。如圖所示，假設(shè)X1和X2之間的距離是圖1中所示的“a”，X1和X3之間的距離是圖1中所示的“b”，四個傳感器3排布在足底1上矩形的各個角處，矩形的兩條對角線“d”和“e”的交點設(shè)定為原點(0，0)。
并且，在X2的坐標(biāo)(x，y)均為正的情況下，傳感器3的坐標(biāo)如下X1(-a/2，b/2)，X2(a/2，b/2)，X3(-a/2，-b/2)，X4(a/2，-b/2)。
在該實施例中，兩個對角線“d”和“e”的交點被看作原點，X2的坐標(biāo)(x，y)具有正值。然而，這樣的設(shè)置是為了幫助理解本發(fā)明，而不應(yīng)作為對本發(fā)明的限制。在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，原點和坐標(biāo)可以指定為不同的情形。
圖3和4示出根據(jù)本發(fā)明開方求Z坐標(biāo)以識別地面反作用力平面，圖5示出根據(jù)本發(fā)明的地面反作用力平面。
在圖3至5中，標(biāo)號5表示垂直于重力方向的水平面，標(biāo)號7表示地面反作用力平面。在圖5中，標(biāo)號9表示垂直于地面反作用力平面的法向向量，標(biāo)號11表示重量方向的參考向量。并且，在圖3中，箭頭“A”的長度代表X1處的地面反作用力的大??；在圖4中，箭頭“B”的長度代表X2處的地面反作用力的大?。灰约霸趫D2和3中，箭頭“C”的長度代表X3處的地面反作用力的大小。
眾所周知，在給定坐標(biāo)系中的平面可以用三個坐標(biāo)規(guī)定。在同樣意義上，基于對應(yīng)從四個傳感器3中所選的三個傳感器3的三個坐標(biāo)，確定地面反作用力平面。在該實施例中，坐標(biāo)X1、X2和X3但不包括X4用于確定地面反作用力平面，然而所選的用于確定地面反作用力平面的坐標(biāo)可以根據(jù)需要改變。
在圖3中，箭頭“A”和“C”分別示出了在X1和X3處沿Z坐標(biāo)方向的地面反作用力。在地面向前傾斜的情況下，X1處的向前地面反作用力“A”大于X3處的向后地面反作用力“C”。這里，傳感器檢測X1和X3處的地面反作用力，并且傳送與X1和X3處的力相對應(yīng)的電信號。電信號轉(zhuǎn)換成預(yù)定的值，并且用于分析地面的傾斜度。從傳感器3傳送的電信號被分析，然后用于識別與傾斜地面相平行的地面反作用力平面。
相類似地，在圖4中，箭頭“B”和“C”分別示出了在X2和X3處沿Z坐標(biāo)方向的地面反作用力。在地面傾斜向前方向的情況下，X2處的向前地面反作用力“B”大于X3處的向后地面反作用力“C”。這里，傳感器檢測X2和X3處的地面反作用力，并且傳送與X2和X3處的力相對應(yīng)的電信號。電信號轉(zhuǎn)換成預(yù)定的值，并且用于分析地面的傾斜度。
這樣，如圖5所示，基于XYZ笛卡爾坐標(biāo)中的傳感器3的坐標(biāo)以及檢測到的地面反作用力，確定包括X1、X2和X3三個點的地面反作用力平面7。并且，可以計算垂直于地面反作用力平面7的法向向量9。
這里，使用三個點的坐標(biāo)能容易地計算出地面反作用力平面的方程式以及垂直于地面反作用力平面的法向向量的方程式。
法向向量9大致涉及兩足步行機器人的機器人腿的縱軸。因此，當(dāng)機器人走在諸如如圖3至5中所示的傾斜向前方向的傾斜地面上時，機器人腿的縱軸將與重力方向平行，以便保持機器人平衡。
因此為了使計算出的垂直于地面反作用力平面7的法向向量9與重力方向的參考向量11對齊，計算補償角度，然后根據(jù)補償角度移動機器人腿。
參考圖6，示出橫搖角和縱搖角，補償角度計算如下。
在圖6中，θx是法向向量9圍繞X軸的轉(zhuǎn)動角度，被稱為橫搖角，θy是法向向量9圍繞Y軸的轉(zhuǎn)動角度，被稱為縱搖角。并且，“p”、“q”和“r”的長度分別示出法向向量9的X、Y和Z分量的大小。
如圖6所示，橫搖角θx定義為法向向量9在YZ平面上的投影與Z軸之間的角度，并且根據(jù)方程式(1)計算。
θx=sin-1(qq2+r2)···(1)]]>相類似地，縱搖角θy定義為法向向量9在XZ平面上的投影與Z軸之間的角度，并且根據(jù)方程式(2)計算。
θy=sin-1(pp2+r2)···(2)]]>在計算θx和θy之后，致動器驅(qū)動機器人腿的軸，從而基于所計算的橫搖角θx和所計算的縱搖角θy，即補償角度，使機器人腿的軸與重力方向?qū)R。
圖7是根據(jù)本發(fā)明控制兩足步行機器人的方法的流程圖。如圖所示，在操作S1中，傳感器3分別連至機器人足底1的各個角。在操作S3中，為每個傳感器給定坐標(biāo)。在操作S5中，傳感器3檢測地面反作用力。在操作S7中，基于傳感器3的坐標(biāo)和檢測到的地面反作用力確定地面反作用力平面7。這里，每個傳感器3的坐標(biāo)和對應(yīng)檢測到的地面反作用力的各個傳感器的Z坐標(biāo)可以表示為在XYZ笛卡爾坐標(biāo)中的一個三維坐標(biāo)。并且，在這樣的三維坐標(biāo)中至少三個坐標(biāo)用于確定一個地面反作用力平面7。
在操作S9中，計算垂直于地面反作用力平面7的法向向量9。在操作S11中，圍繞X軸的橫搖角和圍繞Y軸的縱搖角被計算，以便使法向向量9與重力方向的參考向量11對齊。這里，通過解以上所示的方程(1)和(2)可以獲得橫搖角和縱搖角。
在操作S13中，致動器驅(qū)動機器人腿的軸，從而基于計算的橫搖角和縱搖角，即補償角度使機器人腿的軸與重力方向?qū)R。
在以上描述中，沒有描述可轉(zhuǎn)動地使小腿、膝蓋和主體彼此相連的關(guān)節(jié)。然而，前述致動器通常包括關(guān)節(jié)驅(qū)動器，用于驅(qū)動膝蓋附近的關(guān)節(jié)。
這里，基于所計算的補償角度通過控制器(未示出)適當(dāng)?shù)乜刂齐妱訖C，以便在兩足步行機器人行走在傾斜平面上時使兩足機器人保持平衡。
在上述實施例中，本發(fā)明應(yīng)用于控制兩足步行機器人的方法。然而，涉及計算補償角度以通過確定地面反作用力平面和使用垂直于地面反作用力平面的法向向量、來保持平衡的方法，本發(fā)明可以應(yīng)用于任何需要將傳感器連至至少三個點并且測量地面反作用力、以通過這樣獲得平衡的系統(tǒng)中。
通過該結(jié)構(gòu)，使用更有效的傳感器并且基于地面反作用力確定地面反作用力平面，使得兩足步行機器人能保持平衡并且行走穩(wěn)定。
如上所述，本發(fā)明提供一種控制兩足步行機器人使其在保持適當(dāng)平衡的同時穩(wěn)定地行走的方法，其中使用更有效的傳感器，并且使用所述傳感器檢測的地面反作用力以確定地面反作用力平面。
盡管對本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例進(jìn)行了展示和描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解在不偏離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的情況下，可對這些實施例進(jìn)行改變，其范圍也落入本發(fā)明的權(quán)利要求及其等同物所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種控制兩足步行機器人的方法，其中所述兩足步行機器人具有主體、可移動地連接至主體下部相對側(cè)面的腿、以及驅(qū)動所述腿的致動器，所述兩足步行機器人基于檢測到的地面反作用力控制致動器以平衡機器人，所述方法包括為多個連至腿底部的傳感器的各個位置給定X和Y坐標(biāo)，每個傳感器在所述各個位置中的一個位置處檢測地面反作用力；基于在各個位置處所檢測到的地面反作用力，為各個位置中的每一個位置給定Z坐標(biāo)值；基于至少三個給定的XYZ坐標(biāo)確定地面反作用力平面，并且計算垂直于地面反作用力平面的法向向量；基于多個傳感器的位置確定XYZ坐標(biāo)系；計算圍繞XYZ坐標(biāo)系的X軸的橫搖角以及圍繞XYZ坐標(biāo)系的Y軸的縱搖角；以及對應(yīng)橫搖角和縱搖角驅(qū)動致動器，以使法向向量與重力方向上的參考向量對齊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，多個傳感器中的每一個傳感器包括薄膜型力傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為傳感器給定坐標(biāo)包括在每個腿的底部上排布多個傳感器，其中一個傳感器在矩形的一個角上；以及將矩形對角線的交點看作XYZ坐標(biāo)系的原點。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，為傳感器給定坐標(biāo)包括在每個腿的底部上排布多個傳感器，其中一個傳感器在矩形的一個角上；以及將矩形對角線的交點看作XYZ坐標(biāo)系的原點。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，計算橫搖角和縱搖角包括通過解方程θx=sin-1(qq2+r2)]]>計算橫搖角；以及通過解方程θy=sin-1(pp2+r2)]]>計算縱搖角，其中p、q和r分別是垂直于地面反作用力平面的法向向量在X、Y和Z方向上的分量值。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，計算橫搖角和縱搖角包括通過解方程θx=sin-1(qq2+r2)]]>計算橫搖角；以及通過解方程θy=sin-1(pp2+r2)]]>計算縱搖角，其中p、q和r分別是垂直于地面反作用力平面的法向向量在X、Y和Z方向上的分量值。
7.一種控制兩足步行機器人的方法，其中所述步行機器人具有主體、腿和足，所述方法包括為多個連至機器人的至少一個足底上的傳感器的每個位置給定坐標(biāo)系的第一和第二坐標(biāo)，每個傳感器分別在所述位置中的一個位置處檢測地面反作用力；將在每個位置處所檢測到的地面反作用力的值指定為各個位置的第三坐標(biāo)；基于至少三組給定的第一、第二和第三坐標(biāo)確定地面反作用力平面；基于第一、第二和第三坐標(biāo)、坐標(biāo)系以及所確定的地面反作用力平面，計算橫搖角和縱搖角；以及基于所計算的橫搖角和縱搖角與重力方向的參考向量之間的差，控制機器人的至少一條腿。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，坐標(biāo)系的軸經(jīng)過在成對傳感器之間延伸的兩條線的交點。
全文摘要
公開了一種控制兩足步行機器人、以便基于檢測到的地面反作用力平衡機器人的方法。在所述方法中，X和Y坐標(biāo)被指定為連接至機器人腿底部的傳感器的位置，并且基于在傳感器處檢測到的地面反作用力，將對應(yīng)的Z坐標(biāo)指定為傳感器中的至少三個傳感器?；跈z測到的地面反作用力確定地面反作用力平面，并且計算垂直于地面反作用力平面的法向向量。計算圍繞X軸的橫搖角和圍繞Y軸的縱搖角，并且對應(yīng)橫搖角和縱搖角驅(qū)動致動器，以移動機器人的一部分，從而使法向向量與重力方向上的參考向量對齊。
文檔編號B62D57/032GK1575939SQ20041000784
公開日2005年2月9日 申請日期2004年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月8日
發(fā)明者李涌權(quán), 郭朱泳, 孫榮, 吳淵宅, 盧慶植 申請人:三星電子株式會社