有腿可动的机器人及其控制操纵的方法

专利名称：有腿可动的机器人及其控制操纵的方法
技术领域：
本发明涉及一种仿真机器人机构，此机构被设计成模仿活物的机构和工作的结果。并具体地说，涉及一种有腿可动机器人机构，在此机构中模仿如人或猴那样有腿的可动的动物躯体的机构。
更具体地说，本发明涉及一种有腿可动的机器人控制机构，在它步行或类似运动中跌倒时能自行站立起来。再具体地说，本发明还涉及一种用于有腿可动机器人的机构控制方法，甚至在以各种姿态跌倒后能自行站立起来，以便自动地重新开始因跌倒而被中止的工作。
机器人是一种通过使用电磁作用模仿人运动的机械装置。术语机器人据说是从斯拉夫词RoBoTA(没有独创性的机器)派生出来的。在我国，机器人应用从60年代末开始，其中的许多是操作器和运输机器人那样的工业机器人，它们例如可以用于无人工厂中实现自动工业运作的目的。
在近几年内，有腿可动机器人的研究和开发中取得了进步，这类机器人模仿人或猴那样的动物驱体的机构和运动，以直立姿态用两腿行走，从而存在着将它们投入实际应用这一更高的期望。以直立姿态用两脚行走的有腿运动的姿态和行走的稳定性低于爬虫型或有4或6条腿型的机器人。因此，这类机器人更难以控制。但是以直立姿态用两脚行走的有腿运动的是优秀的机器人，在于由于能够沿着不规则的表面，如不平表面和有障碍存在的工作通道，运动，以及能沿不连续的行走面行走，如上、下台阶和楼梯，因此它们能够灵活地移动和工作。
模仿人躯体的机构和运动的有腿可动机器人被称为类人机器人(humanoid robot)。类人机器人，例如可在生活中帮助人，即，能在日常生活的各种环境中及生活环境中的各种人类活动中帮助人。
例如，可以从下列两方面了解进行类人机器人研究和开发的意义。
第一点涉及人类学。具体地说，通过制造其结构类似于有人类上肢和/或下肢的机器人、构想出控制它的方法及模拟人类步行的过程，人类的自然运动的机构如行走能从人机工程学上被了解。这种研究的结果极大地有助于涉及人类运动机构的其它各种研究领域的发展，例如人机工程学、康复工程、运动科学。
另一点是涉及作为人类伙伴的机器人的开发，这种机器人在生活中帮助人类，亦即在日常生活的各种环境和在生存环境中的各种人类活动中帮助人类。从功能上来讲，在人类生存环境中的各个方面中，这些机器人需要通过学习适应环境和在被人类示教的同时按照具有不同个性和特点的人来工作的方法来进一步开发。因此据信，制造如人那样的形状和结构的机器人对人类与机器人间的顺利交流是有效的。
例如，当教机器人通过避免不应踩上的障碍穿过房间时，对于用户(工人)教导与其有相同形式的以两脚行走机器人要比教导与其完全不同结构的爬虫型或四脚型机器人容易得多。在这种情况下，这种机器人学会这种方法也会容易得多。(例如，参看Takanishi的“控制用两脚行走的机器人”JidoshaGijutsukai Vanto Shibu<Koso>No.25,1996年4月)。
人类的工作空间和生活空间是根据用两脚以直立姿态行走的人类的行为模式和躯体机构形成的。换言之，对于使用轮子或别的驱动装置作为运动机构的当前机械系统的移动，人类的生活空间有许多障碍。但是，优选地使机器人活动范围大致与人的一样，以便对于机械系统，即机器人替代人进行各种人的工作，深深地渗透入人类的生活空间中。这就是极大期望着将有腿可动机器人投入实际使用的原因。为了增强机器人对人类生存环境的亲和力，使机器人具有人的形态是最基本的因素。
类人机器人的一种用途是使它们替代人类进行各种不同的工作，例如在工业任务和生产工作中，它们替代人类进行危险或困难的工作，例如在核电厂、热动力工厂或石油化学工厂中的维修工作，在制造工厂中的零件传送/装配作业，高大建筑的清洁，以及在火灾或有类似情况的场所救人等。
最重要的主题是设计和制造工业机器人，使它们能被专用于工业领域并能提供专门的功能。工业机器人也根据它们能用两脚行走的设想来构建。但是作为机械装置，它们无需必须忠实地复制例如以直立姿态行走的动物如人或猴的具体驱体机构和运动。例如，为了制造一种特殊用途的工业机器人，特定部件、例如指尖的运动自由度及其运作功能分别被增多和增强。另一方面，被认为与任务相对无关的部件例如头、躯体(脊骨等)以及腰的自由度在数量上被限止甚至不提供。这样就使工业机器人虽然是一种用两脚行走的机器人，但在其工作和运动时有着奇怪的外貌。因此，折衷是必然的。
类人机器人的另一种用途涉及使它们与生活紧密联系，即与人类一起生活，而不是替代人通过完成困难的任务在生活中帮助人类。换言之，最终目的是使这些机器人忠实地复制以直立姿势用两腿行走的动物如人和猴子真实具有的整个躯体的和谐运动型操作机构，并使它们自然平顺地运动。此外，在模仿以直立姿态站着的高智能动物如人或猴，对于一个活体来说用四肢运作是自然的，而且期望运动是情绪和感觉的充分表达。而且，类人机器人不仅要求忠实地实施预先输入的操作模式，而且还要对应一个人的语言或动作来生动地动作(例如某人的高声说话，责备人或撞击人)。在这个意义上来说，能模仿人类的娱乐机器人可以被正确地叫作类人机器人。
如本技术领域内公知的，人体有上百个关节，即有数百个自由度。为了使有腿可动机器人的运动贴近人的运动，优选地使有腿可动机器人实际上有与人相同的自由度数量，但是在技术上是难以做到这一点的。这是因为，由于至少要配置一个致动器来提供一个自由度，为了获得上百个自由度就需配置上百个致动器。这从机器人的制作成本及其重量、大小及其它设计因素方面看来是不可能实现的。此外，当自由度数目很大时，例如为定位/操作控制或稳定姿态控制运作所要求的计算量就成幂指数地相应增加。
因此，类人机器人一般被构造成具有约数十个关节处的自由度，其远少于人体所具有的自由度数。因此可以说如何采用少量自由度来实现自然运动是设计/控制类人机器人中的一个重要因素。
例如，柔性机构如脊骨对于人类生活中的各种复运动是重要的，这已从人机工程学的观点中明显显示出来。在躯体关节处的对脊骨有影响的自由度存在的价值是低的，但是对于娱乐机器人及其它与生活有密切连系的类人机器人来说是重要的。要求根据条件能够灵活地调节机器人的柔性。
以直立姿态用两脚行走的有腿可动机器人是优秀机器人，在于他们能够灵活地行走和运动(如上、下台阶及越过障碍)。但是由于腿数量减少及这种机器人的重心被置于高的位置上，因而实现姿态控制和稳定行走控制操作变得相当困难。特别是，在与生活紧密连系型机器人的情况下，在其自然地移动并以一种方式充分表达智能动物如人和猴的情绪和感觉的同时需要控制行走和整个躯体的姿态。
许多有关以两脚行走的有腿可动机器人的稳定行走控制操作和姿态控制的技术已被提出。在这里，稳定“行走”指用腿移动而不跌倒。
机器人的稳定姿态控制操作对防止该机器人的跌倒是非常重要的。这是因为机器人跌倒就意味着机器人任务执行的中止，而且为了在机器人跌倒状态下站起来后重新开始执行任务，需要大量的劳力和时间。尤其是当机器人跌倒时，机器人本身及其跌倒时所撞到的物体可能被致命地损伤。因此，在机器人行走时进行稳定姿态控制操作，防止其跌倒是一个重要的因素。
当机器人行走时，在其行走时由重力形成的加速度使重力、惯性力，以及这两个力的力矩从行走系统作用于通道表面。根据所谓的“达朗伯特定律”(“d'Alemert's principle”)，这些力和力矩与从通道表面沿相反方向对行走系统反作用的地板反作用力及地板反作用力矩平衡。从力学理论推断存在一个点，在这个点由通道表面和脚板接触地板的点形成的支承多边形的边上或多边形之内，俯仰轴力矩和摇摆轴力矩为零。换句话说，有一个ZMP(零力矩点)存在。
许多建议，用于在机器人行走时或对它进行稳定姿态控制时防止有腿可动机器人跌倒，利用ZMP作为确定行走稳性标准。基于ZMP作为标准的两脚行走方式产生允许提前设定底板接触地板的点的优点，从而使得根据通道表面形式考虑脚趾的运动学限止条件更为容易。
例如，日本未实审专利公开号5-305579公开了一种有脚可动机器人的行走控制器。该文献公开的行走控制器实行控制操作以使ZMP(零力矩点)，即该地板表面的在机器人行走时地板反作用力所产生的力矩为零的点与目标值匹配。
日本未实审专利公开号5-305581中公开了一种有腿可动机器人，其构建成在机器人的一脚在地面上或脱开地板时，使ZMP或者在一支承多面体(多边形)内，或者在离多面体一端至少有一预定距离与之充分分开的一个位置上。结果，即使当机器人受到外来干扰时，ZMP足够的预定距离可使机器人更稳定地步行。
日本未实审专利公开号5-305583公开了一种通过ZMP目标位置来对有腿可动机器人行走速度的控制。更具体地说，在该文件中公开的有腿可动机器人中，事先调定的行走方式数据被用来驱动一个腿关节以使ZMP与一目标位置匹配。并且其驱体上部分的倾斜被检测，以便根据检测到的数值来改变该调整行走方式数据的放出速度。从而当机器人突然踏踩在不平稳的表面上并且例如朝前倾斜时，可以通过增加放出速度，使机器人恢复原先的姿态。另外，由于ZMP能被控制得以与目标位置匹配，不存在在用于支承两腿装置中的改变放出速度的问题。
日本未实审专利公开号为5-305585中，公开了一种通过ZMP目标位置来对有腿可动机器人落地位置的控制。具体地说，在该文件中公开的机器人通过对ZMP目标位置和实际测量位置之间的差值的检测并驱动一或二条腿来消除差值，或通过检测环绕ZMP目标值的力矩并驱动腿来使力矩为零，均可使机器人行走稳定。
日本未实审专利公开号为5-305586中公开了通过ZMP目标位置来对有腿可动机器人倾斜姿态的控制。具体地说，在此文件中公开的机器人通过检测环绕ZMP目标位置的力矩并在力矩产生时驱动腿使力矩为零，由此来使机器人稳定行走。
应该做出最大努力来预先防止正在行走的机器人跌倒。但是，对用两脚行走的机器人或有少量腿的机器人的研究只是处于这样的阶段，其中，朝着将机器人投入实际使用的第一步终于已经开始，因此机器人跌倒的可能性不能降低至零。
因此，在早期阶段为了将有腿可动机器人投入实际使用，重要的不仅是要采取措施，以预先防止机器人跌倒，而且要使机器人跌倒时产生的损伤减至最小，并且更可靠地使它们重新开始工作，即，要更为可靠地使机器人起来或站立。
在有着各种障碍和预料不及的情况的人类生存环境中，不能防止机器人跌倒。首先，人本身也会跌倒，因此，毫不夸大地说，为了使机器人完全自动，使有腿可动机器人包含从其跌倒状态中独立地站起来的操作方式是基本的。
例如，日本未实审专利公开号为11-48170中处理了有腿运动机器跌倒的问题。但是，此文件提出在机器人要跌倒时通过向下移动机器人的重心来减少对机器人本身及机器人碰到的物体可能损伤的程度。因此，它并没有研究有关提高在机器人跌倒后再开始工作的可靠性方面的任何问题，即，起来或站立的可靠性。
即使机器人被简单地描述为跌倒，机器人跌倒后会呈现各种姿态，例如对于双足有腿可动机器人来说，有着各种跌倒姿态，其中包括“面朝下躺着姿态”，“背着地躺着姿态”和“侧身躺着姿态”，设计机器人使之只能从这些跌倒姿态中的一些姿态中站起来，(例如只从面朝地躺着的姿态站起来)，可还不足以满足能独立站起来和完全自动化的机器人的构建要求。
例如，图35所示的有腿可动机器人将被考虑。图中的机器人是一种以直立姿态用双脚行走的类人机器人，并具有头、躯体，下肢和上肢。腿具有行走所需的自由度，且臂具有其设定任务所要求的自由度。例如，每条腿具有6个自由度，且每条臂具有四个自由度。躯体是此构件的中心并连接臂和腿，以及头。但是，图中所示机器人的躯体无自由度。
一般说来，有腿可动机器人行走是与地板接触的腿部与动力矩中心，即重心之间相对移动的结果。当机器人是一种用两脚行走的类型时，沿一预定方向的运动是通过交替地将左、右腿置于“直立状态”和“摆动状态”来实现的。在此，将躯体的动力矩中心或躯体重心朝直立状态沿运动预定方向移动是基本要求。在有腿可动机器人中，这种运动是通过和谐的致动实现的。此致动是通过机器人部件关节处的自由度来实现的。当有腿可动机器人具有每条均具备六个或更多自由度的腿时，如图35所示的机器人行走时的躯体的动力矩中心或躯体重心能由于腿的自由度而被移动。
图36示出了图35所示有腿可动机器人处于直立情况下的状态。在直立姿态下，从其躯体前面的方向上看的机器人重心在两腿中心部分的上方，而且ZMP则处于稳态姿态区域中，在与地接触的两腿部之间的大约中间部位。
图37示出了一种状态，其中，重心被移向一腿(图37中为左腿)以便允许此机器人行走。换句话说，通过将机器人重心朝左腿移动来使ZMP移入左脚接触地板的区域内，这是主要包括左臀关节，左踝关节沿摇摆方向移动，及右臀关节及右踝关节沿同一摇摆方向相应移动在内的运动的结果。结果，使机器人采取只靠左腿支承躯体的全部重量的姿态。此外，机器人能通过将正处于“摆动状态”的右腿朝着所期望的移动方向迈步来行走。
一个主要被设想成能行走的双足有腿可动机器人能只依靠取决于自由度布置的腿的自由度来行走。这种行走操作方式常被使用于实际机器。此外，为了完成工作，机器人一般被构建以使在臂和手上具有各自独立的自由度。此外，头常具有用于视觉观察或类似动作的自由度。
相反，不能说躯体的自由度是主要使机器人行走或完成任务用的操作方式所要求的。因此，大多数目前正在为实用目的开发的有腿可动机器人的躯体不具备自由度，如图35所示(前面已经说过)。
下面将考察如图35所示的在躯于处没有自由度的有腿可动机器人在其已跌倒时站起来的操作。
例如，如图38所示，当机器人从面朝地姿态下站起的时候，为了使只有臂和腿(膝盖)与地接触。在两臂和两臀等的俯仰轴处进行致动。然后均与地板接触的臂部与腿的相应部分间的距离被逐渐减小，以使机器人的重心上移(见图39)。
在重心向上运动的同时，使双脚朝前运动(见图40)。结果，使重心移动到脚接触地板区域的上方，并且ZMP移入地板接触区域，即稳定姿态区域，从而有可能使臂离开地板表面(见图41)。另外，通过使腿(膝关节)伸展而使重心朝上运动，完成站立操作(见图42)。
但是，由于机器人部件与每个关节角位移间存在着干涉问题，常常出现重心不能被充分移动的情况。例如，当从图40所示姿态变换到图41所示姿态时，在臂与地板接触的时候，膝关节不能充分地弯曲，不可能将ZMP移到脚接触地板的区域。当力图强迫ZMP移入双脚接触地板区域时，臂在ZMP进入稳定区域前就离开地板，从而使机器人不能正确地站立起来。
如图43所示，当有腿可动机器人以背着地姿态跌倒时，独立地即无任何外力帮助下使机器人站立起来更为困难。
在进行从背着地姿态站立起来的操作时，机器人首先采用使其腿和臂与地板接触的姿态，从而使其重心向上运动(见图44)。之后，使与地面接触的脚部及与地板接触的相应的臂部之间的相对距离逐渐缩短(见图45)。
当脚及相应臂间距离变得足够小时，机器人的重心就能被移动入脚接触地板区域的上方(见图46)。在此状态下，ZMP进入脚或稳定姿态区域，从而可通过使臂离开地面并伸展腿即膝关节，来将重心朝上进一步升高，完成站立操作(见图47)。
但是，实际上与机器人从面朝地躺着姿态站起来中的情况一样，在机器人部件与每个关节的运动角之间存在干涉，因而在许多情况下机器人的重心不能被充分地移动。例如，当从图45所示姿态转换成图46所示姿态时，在臂与地面接触的时候，膝关节不能被充分弯曲，从而就使ZMP不能移到脚接触地板区域。力图强制地移动ZMP，使臂在ZMP进入稳定区域前离开地面，以使机器人不能正确地站起来。
在如图38-42所示的从面朝地躺着的姿态站起来及如图43-47所示从背着地躺着姿态中站起来操作被执行的情况下，为了能防止如图40，41及46，47所示的瓶颈，臀关节朝躯体前侧运动的角度被增大。但是，为了增大实际有腿可动机器人臀关节运动角度，在躯体及其周围部件分之间出现干涉，因此不能说这个问题实际上已被解决。
在进行从面朝地躺着姿态和从背着地躺着姿态站起来操作的情况中，当通过制作很重的脚来使整个有腿可动机器人的重心被置于脚附近处时，即使在臂首先如图41、47所示那样离开地面时，ZMP也能被移入姿态稳定区域。这与“不倒翁(daruma)”自然站立起来的原理相似。
在其行走时其重心永远处于其底板与地面接触区域内的“静态行走型”机器人的情况下，即使是如在“不倒翁”中那样，整个机器人的重心处于低的地方如脚上时，也能确保稳定行走。
与此相反，在其重心置于其脚板区域之外的“动态行走型”机器人的情况下，机器人的姿态是通过沿机器人行走时的跌倒方向大大地加速支轴来恢复的，从而使“反摆钟”(inverted pendulum)原理得到应用。换句话说，在动态行走型机器人的情况下，为了允许重心动态移动，其腿被设计得相对其状态条件来说要相对轻些，从而使重心置于相对高的地方。在另一方面，当脚的质量大时，就难以平稳地移动重心，从而使机器人的行走受阻。简言之，将整个机器人重心置于低处会使其动态行走时难以对机器人进行稳定姿态控制，所以上述所提到的措施不可能是有腿可动机器人站立问题的一种总解决方案。
如能从图38-42及图43-47中所看到的那样，当使用在其躯体上没有任何自由度的有腿可动机器人时，其臂，头等及腿相对彼此的运动量小，这使得机器人难以从任何一种跌倒状态下站起来。
通过将躯体的躯体做得很小或将其臂做得很长时，可使臂和腿相对彼此的运动量增大。这样就消除了如图41和47所示的在ZMP移入稳定姿态区域之前使臂离开地面的问题。从而使机器人有可能站起来。
但是，将躯体做短或将臂做长时，类人机器人的四肢或整个躯体就不再成比例，因此就背离了本发明的象人或类人的机器人的发明精神。
在本发明提交申请时，有一种经常在机器人背面部分安装一用于控制机器人自身的部件的趋向。因此，在机器人以背着地姿态跌倒时，重心极大地朝其背面侧移动。于是，被认为更难以使机器人从背着地躺着姿态的情况下站起来(见图48)。
因此，本发明的一个目的是提供一种优秀的有腿可动机器人机构，在此机构中，模拟了如人或猴那样的有腿运动动物躯体的机构。
本发明的另一目的是提供一种优秀的有腿可动机器人，此机器人在行走或执行任务中跌倒时能够自行站立起来，并提供了其的控制机构。
本发明的另一目的是提供一种优秀的有腿可动机器人，其能靠自己本身从跌倒时的各种躺着的姿态下站立起来，使它能够自动地重新开始因其跌倒而中断的工作，并提供了其的控制机构的方法。
本发明的另一个目的是提供一种优秀的有腿可动机器人，其能独立、可靠并平稳地从如面朝地、背着地和侧身躺着等各种姿态中站立起来，并提供了其的控制机构。
为此目的，根据本发明的第一方面，提供了一种有腿可动机器人，它至少包括下肢，及置于下肢之上的躯体上部，并且通过下肢运动使机器人可移动。有腿可动机器人还包括用来检测其是否跌倒的装置，用于在机器人跌倒时检测其姿态的装置，及根据跌倒姿态用于实施站立起来操作方式的装置。
根据本发明的第二方面，提供一种有腿可动机器人，它至少包括下肢，及置于下肢之上并具有允许躯体有自由度的预定运动的躯体上部，并且可通过下肢运动使机器人可移动。有腿可动机器人还包括用于检测其是否跌倒的装置、用于检测其跌倒后的姿态的装置及用于根据跌倒后的姿态实施站立起来的操作方式的装置。
根据本发明的第三方面提供了一种有腿可动机器人，它至少具有下肢、置于下肢上面并允许躯体上有自由度的预定运动的躯体上部，并且机器人可通过下肢运动来移动。机器人还包括用于检测其是否已跌倒的装置，及用于在已跌倒时实施站立起来操作方式的装置。该操作方式至少包括与在躯体上允许有自由度的运动相一致的移动。
在本发明的第三方面的第一形式中，躯体至少具有允许沿俯仰轴方向有自由度的运动；站立起来操作方式可以利用允许沿躯体俯仰轴方向有自由度的运动。
在本发明第三方面的第二形式中，躯体至少具有允许沿偏转轴方向自由度的运动，并且站立起来操作方式可以利用允许沿躯体偏转轴方向有自由度的运动。
在本发明第三方面的第三种形式中，躯体至少具有允许沿摇摆轴方向有自由度的运动，并且站起操作方式可以利用允许沿躯体摇摆方向有自由度的运动。
根据本发明的第四方面提供了一种有腿可动机器人，其至少具有下肢，置于下肢上面并允许在躯体上有自由度的预定运动的躯体的上部，通过下肢运动使机器人可移动。机器人还包括用于检测其是否已跌倒的装置，用于确定已跌倒机器人的姿态的装置，以及用于实施站起操作方式以在机器人跌倒后改变到另一种跌倒姿态的装置。
在本发明第四方面第一形式中，躯体可以至少具有允许沿俯仰轴方向有自由度的运动，并且用于变换到另一种跌倒姿态的操作方式可以利用允许沿躯体俯仰轴方向有自由度的运动。
在本发明第四方面的第二形式中，躯体至少具有允许沿偏转轴方向有自由度的运动，用于改变到另一种跌倒姿态的操作方式可以利用允许沿躯体偏转轴方向有自由度的运动。
在本发明的第四方面第三种形式中，躯体至少具有允许有沿摇摆轴方向的自由度的运动，并且用于改变到另一种跌倒姿态的操作方式可以利用允许沿躯体转动方向有自由度的运动。
根据本发明的第五方面提供了一种操作控制方法，用于在机器人以面朝地躺着跌倒后控制有腿可动机器人的操作。机器人至少具有下肢、置于下肢上面的躯体上部，其并具有允许在躯体处有自由度的预定运动，并通过下肢运动可使机器人移动。此方法包括以下步骤通过至少利用允许沿躯体俯仰轴方向有自由度的运动使机器人采取仅臂和脚与地板面接触；通过利用至少允许在躯体俯仰轴处有自由度的运动使机器人重心向上移；通过至少利用允许在躯体俯仰轴处有自由度的运动来减小与地板接触的臂部和相应的腿部之间的相对距离；以及由于移动接触地板的臂部及接触地板的相应的腿部以使其相互充分靠近，对应有腿可动机器人的ZMP进入脚与地板面的接触区域使整个躯体伸展。
根据本发明的第六方面提供一种操作控制方法，用于在有腿可动机器人以背着地躺倒姿态跌倒后控制该机器人操作。此机器人至少包括下肢及置于下肢上面并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并且通过下肢的移动使机器人可移动。此方法包括以下步骤通过至少利用允许臀关节俯仰轴处有自由度的运动，使机器人采取使躯体上部升高的姿态；通过至少利用允许在躯体俯仰轴处有自由度的运动使有腿可动机器人重心前移；由于重心充分地向前移动，对应有腿可动机器人的ZMP进入其脚接触地板面区域而开始使整个躯体伸展。
根据本发明的第七方面提供了一种操作控制方法，用于控制有腿可动机器人侧身躺着跌倒后的操作，机器人至少包括下肢，置于下肢上面并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体的上部，通过下肢运动使机器人可移动。此方法包括通过至少利用允许在躯体偏转轴处有自由度的运动来使此机器人采取面朝地姿态的步骤。
根据本发明第八方面提供了一种操作控制方法，用于控制有腿运动机器跌倒后为侧躺姿势时的操作。机器人至少包括下肢，及置于下肢上面并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，通过下肢运动使机器人可移动。此方法包括通过利用允许在躯体摇摆轴处有自由度的运动使机器人躯体上部从地板面升高的步骤，及通过利用在躯体偏转轴处有自由度的运动使该机器人采取面朝下躺着姿态的步骤。
根据本发明第九方面提供了一种操作控制方法，用于控制有腿可动机器人跌倒后为背着地躺着姿态时的操作。机器人至少包括下肢，及置于下肢上面并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，通过下肢运动使机器人可移动。此方法包括通过至少利用允许在躯体偏转轴处有自由度的运动使该机器人采取侧身躺着姿态的步骤。
根据本发明第十方面提供了一种操作控制方法，用于控制当有腿可动机器人跌倒后为倒下姿态时的操作。机器人至少包括下肢，及在下肢上面并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，通过下肢运动使机器人可移动。此方法至少包括下列步骤之一(a)使机器人从背着地躺着姿态转变为侧身躺着的姿态；(b)使机器人从其侧身躺着的姿态转变为面朝地躺着的姿态；(c)使机器人从其面朝下躺着的姿态转变为侧身躺着的姿态；及(d)使机器人从其侧身躺着的姿态转变为背着地躺着的姿态。
有腿可动机器人具有提供于其躯体处的摇摆轴、俯仰轴和偏转轴处的自由度。通过提供于躯体处的这些自由度，机器人可以从任何跌倒后的姿态中平稳并容易地站起来。
根据本发明的有腿可动机器人，在机器人从其跌倒状态中站起来时，通过利用躯体的自由度使躯体以外的该机器人可动部分上的负荷及所要求的力矩被减少。另外，通过在每个可动部分之间分散/平均负荷，可以防止负荷被集中在机器人的一具体部分上。因此，机器人可被更可靠地使用，而且在机器人站起来时所利用能量的效率可被增高。
根据本发明的有腿可动机器人，通过顺序地从一个跌倒姿态到另一个跌倒姿态变换机器人的跌倒后的姿态，可以有选择地实施一种更为容易的站起来的操作。
根据本发明的有腿可动机器人，通过顺序地重复多个跌倒姿态，机器人无需站立起来就可在平面地移动。因此，机器人可以在移动到一个更容易站起来的地方后再站起来。
根据本发明的有腿可动机器人，跌倒后的姿态可以被改变，因此可以减少必须被支持的站起来操作方式的数目和类型。
例如，当机器人事先配置有机器人站立起来操作方式时，由于操作方式数目减少，可以降低开发周期及开发成本。通过减少操作方式数目，在硬件上的负荷可减少，从而使此系统可望获得相应的改善。
在根据机器人所处的状况其独立地产生出操作方式时，通过减少要生成的操作方式的数目，可使在需要被安装于机器人本身上的计算组件上的工作量减少，从而可望降低装置制造成本及使机器人更可靠地工作。
根据本发明的有腿可动机器人，通过改变机器人跌倒后的姿态，有可能对站起来操作方式加以限制。结果，例如，可以使为使机器人站起来所需要的各致动器的工作范围和输出力矩减小。因此，机器人可被更自由地设计，研制周期和制造成本可以减小。
由于变换跌倒后的姿态可以限定使机器人站起来要被执行的方法，从而使站起来操作期间能够减少机器人的电能消耗，并可减少动力源如电池的负荷。因此，有可能延长电池使用时间，并且通过一次充电作业可进行很长时间的连续运作。作为其结果，例如，使机器人工作时间，工作空间及工作项目均被增大。此外，由于所需的电池容量也被减少，故电池可做得更小、更轻，从而使得在设计机器人时自由度更大。此外，由于对电池的特定要求数量减少，电池的成本降低，从而使作为一个整体的系统的运行和制造花费减少。
通过结合下面的附图对本发明的实施例更为详尽地说明，本发明的其它目的、特点和优点会变得明显清楚。


图1是本发明有腿可动机器人100的一个实施例的正视图。
图2是本发明有腿可动机器人100实施例的后视图。
图3是有腿可动机器人100躯体结构放大图(正面立体图)。
图4是有腿可动机器人100躯体结构放大图(背面立体图)。
图5是有腿可动机器人100的本实施例的自由度结构模型示意图。
图6示意性示出了有腿可动机器人100实施例控制系统的结构。
图7是一个流程图，它示意性说明了机器人100跌倒后所进行的操作步骤。
图8用来说明一系列操作，进行这些操作，使有腿可动机器人100从面朝下躺着状态中站起来。更具体地说，图8示出了有腿可动机器人100刚以面朝下躺着在地板上方式跌倒后的状态。
图9用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿机器人100从面朝下躺着的状态中站立起来。更具体地说，图9示出了以面朝地姿态躺着的机器人100开始站起来的状态。
图10用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人100从面朝地躺着状态中站立起来。更具体地说，图10说明一种状态，在此状态中，通过进一步增大两肩关节俯仰轴致动器Aa，躯体俯仰轴致动器A5及臀关节俯仰轴致动器A17的位移来使重心朝上移动。
图11用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人100从面朝下躺着状态中站立起来。更具体地说，图11说明一种状态，在此状态中，由于进一步减小与地板接触的臂部及与地板接触的相应脚部之间的距离，重心G被置于脚上面，即，重心G被完全置于一稳定姿态区域中。
图12用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人100从面朝下躺着的状态中站立起来。更具体地说，图12介绍一种状态，在此状态中，由于移动臂端使之脱离地板面并且通过启动两膝关节俯仰轴致动器使腿伸展，使重心G进一步朝上运动。
图13用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人100从面朝下躺着的状态中站立起来。更具体地说，图13说明一种状态，在此状态中，由于重心进一步朝上运动，机器人100处于接近直立的姿态中。
图14用来说明一系列操作，实施这些操作，可使有腿可动机器人100从背着地躺着的状态中站起来。更具体地说，图14示出机器人100刚以背着地躺着的姿态跌倒后的状态。
图15用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人100从背着地躺着的状态中站立起来。更具体地说，图15示出了一种状态，在此状态中，其跌倒状态已被确定的有腿可动机器人100开始从其背着地躺着的跌倒后的状态中站起来。
图16用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人100从其背着地躺着的状态中站起来。具体地说，图16说明一种状态，在此状态中，机器人100两脚底板与地面接触。这是作为在肘腕在与地板接触时，进一步启动两个臀关节俯仰轴致动器A17，两膝关节俯仰轴致动器A19及两个踝关节俯仰轴致动器A20的结果。
图17用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人100从背着地躺着的状态中站起来。具体地说，图17说明一种状态，在此状态中，由于移动躯体俯仰轴致动器A5，并与此同时减少与地板面接触的臂部及与地板接触的相应的腿部之间距离，重心G被朝上移动。
图18用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人100从其背着地躺着的状态中站立起来。具体地说，图18说明一种状态，在此状态中，由于使与地板面接触的臂部和与地板接触的相应的腿部之间的距离减小而通过ZMP朝脚移动到一个可能的范围，使臂和腰与地板脱离。
图19用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人从其背着地躺着的状态中站立起来。具体地说，图19说明一种状态，在此状态中，通过使机器人100采取伸展姿态，使重心G进一步向上运动。
图20用来说明一系列操作，实施这些操作使有腿可动机器人从其背着地躺着状态中站起来。具体地说，图20介绍一种状态，在此状态中，由于通过进一步伸展腿来使重心G向上运动，机器人已处于大体上直立的姿态中。
图21用来说明使有腿机器人100从其侧身躺着的姿态站立起来的操作方式实例。具体地说，图21说明有腿可动机器人100刚以侧身躺着的姿态跌倒在地板上的状态。
图22用来说明使有腿可动机器人100从其侧身躺着的状态中站立起来的操作方式实例。具体地说，图22说明一种状态，在此状态中，在确定机器人100是侧身躺着的姿态后，开始实施此操作方式，以便将其姿态转换为面朝下躺着的姿态。
图23用来说明使有腿可动机器人100从其侧身躺着的姿态中站起来的操作方式实例。具体地说，图23说明一种状态，在此状态中，由于转动躯体偏转轴致动器A7，使机器人100的躯体上部大体上处于面朝下躺着的姿态。
图24示出了使有腿可动机器人100从其侧身躺着的姿态中站起来的操作方式实例。具体地说，图24说明一种状态，在此状态中，通过使左臂与地板接触而使机器人进一步接近面朝下躺着的姿势。
图25用来说明使有腿可动机器人100从其侧身躺着的状态中站立起来的操作方式实例。具体地说，图25说明一种状态，在此状态中，由于连续地使躯体偏转轴致动器A7及左臂关节俯仰轴致动器A17转动使机器人100的整个躯体朝图形平面前面跌倒，左臂与地板接触。
图26用来说明使有腿可动机器人100从其侧身躺着的状态站起来的操作方式实例。具体地说，图26说明一种状态，在此状态中，由于连续地转动躯体偏转轴致动器A7和左臂关节俯仰轴致动器A17，使机器人100完全处于面朝下躺着的姿态。
图27用来说明使有腿可动机器人100从其侧身躺着的状态站起来的操作方式实例。具体地说，图27说明一种状态，在此状态中，由于启动躯体偏转轴致动器A7及躯体摇摆轴致动器A6，使机器人100的姿态平稳地从其侧身躺着转变为面朝下躺着。
图28用来说明使有腿可动机器人100从其侧身躺着的状态站起来的操作方式实例。具体地说，图28说明一种状态，在此状态中，由于启动躯体偏转轴致动器A7及躯体摇摆轴致动器A6，使机器人100的姿态平稳地从其侧身躺着转变为面朝下躺着。
图29用来说明使有腿可动机器人100从其背着地躺着状态中站起来的操作方式实例。具体地说，图29介绍有腿可动机器人100刚在以背着地躺着姿态跌倒在地板在上之后的状态。
图30用来说明使有腿可动机器人100从其背着地躺着的状态中站起来的操作方式实例。具体地说，图30说明由于左、右关节俯仰轴转动，使两臀关节偏转致动器A16转动及使重心沿扭转方向移动，从而使躯体上部相对转动的状态。
图31用来说明使有腿可动机器人100从其背着地躺着状态中站起来的操作方式实例。具体地说，图31说明一种状态，在此状态中，由于右臀关节偏转轴致动器A16转动而使整个右腿进一步沿扭转方向转动。
图32用来说明使有腿可动机器人100从其背着地躺着状态站起来的操作方式实例。具体地说，图32示出一种状态，在此状态中，由于躯体偏转轴致动器A7的转动，使右臂与地板面之接触得到保证。
图33用来说明使有腿可动机器人100从其背着地躺着的状态中站起来的操作方式实例。具体地说，图33示出一种状态，在此状态中，由于通过主要使右臀关节偏转轴致动器A16转动来使腰部沿一预定转动方向转动，从而使扭转运动平缓地进行。
图34用来说明使有腿可动机器人100从其背着地躺着状态站起来的操作方式实例。具体地说，图34示出一种状态，在此状态中，该机器人100换到侧身躺着姿态的姿态变换差不多已经完成。
图35是以双脚直立姿态行走的有腿可动机器人(传统的)的结构外观图。
图36示出了处于直立站姿的图35所示有腿可动机器人的状态(传统实例)。
图37说明一种状态，在此状态中，图35所示的有腿可动机器人正在行走(传统实例)。具体地说，图37示出一种状态，在此状态中，左右腿在站立状态和摆动状态之间来回交替地转换。
图38说明一种状态，在此状态中，图35所示的有腿可动机器人已以面朝下躺着方式跌倒(传统实例)。
图39说明使图35所示的有腿可动机器人从在其已跌倒的面朝下躺着的姿态中站起来的操作方式。具体地说，图39示出一种状态，在此状态中，通过减少与地板接触的臂部和与地板接触的相应的腿部之间的相对距离使此机器人的重心向上运动(传统实例)。
图40介绍使图35所示的有腿可动机器人从其跌倒后的面朝下姿态中站起来的操作方式。具体地说，图40示出在机器人重心向上移动的同时，其脚朝前移动的状态(传统实例)。
图41说明一种使图35所示有腿可动机器人从其跌倒后的面朝下躺着的姿态中站起来的操作方式。具体地说，图41示出一种状态，在此状态中，由于移动有腿可动机器人的ZMP到稳定状态区域内而使臂脱开地板表面(传统实例)。
图42说明使图35所示有腿可动机器人从其已跌倒后的面朝下躺着的姿态中站起来的操作方式。具体地说，图42示出一种状态，在此状态中，由于在有腿可动机器人的臂已离开地板面后进一步伸展腿，使其站立操作完成(传统实例)。
图43示出图35所示的有腿可动机器人跌倒后处于背着地躺着姿态的状态(传统实例)。
图44说明使图35所示的有腿可动机器人从其跌倒后的背着地躺着姿态中站起来的操作方式。具体地说，图44示出一种状态，在此状态中，通过使该机器人采用一种使其腿和臂均与地板面接触的姿态而使重心向上移动(传统实例)。
图45说明使图35所示有腿可动机器人从其跌倒的背着地躺着姿态站起来的操作方式。具体地说，图45示出一种状态，在此状态中，与地板面接触的有腿可动机器人臂部及脚之间的相对距离被减小(传统实例)。
图46说明使图35所示有腿可动机器人从其跌倒后的背着地躺着姿态站起来的操作方式。具体地说，图46示出一种状态，在此状态中，该机器人的重心被移动到双脚与地板接触的区域之上(传统实例)。
图47说明使图35所示有腿可动机器人从其跌倒的背着地躺着的姿态站起来的操作方式。具体地说，图47示出一种状态，在此状态中，由于在将有腿可动机器人的臂移离地板后使其腿进一步伸展，使得站起来的操作被完成。
图48示出一种状态，在此状态中，有腿可动机器人在其从背着地躺着姿态站起来时不能继续运动(传统实例)。
图49是有腿可动机器人关节模型结构的实例的示意图。
下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细地介绍。
图1和2是以直立姿态站着的本发明的一个实施例的有腿可动机器人100的正视图和后视图。如图所示，机器人100包括用于运动的下肢或左右腿，躯体、左、右上肢、头及控制部分。
左右下肢各自包括大腿，膝关节，胫，踝关节及脚，而且均通过相应的臀关节与躯体大致底端相连。左右上肢包括相应的上臂、肘关节、及前臂、并通过相应的肩关节与躯体相应的左右侧边相连。头通过颈关节与躯体大体上的最上端中心部分相连。
控制部分是一个箱体，其中有控制嚣(主控制部分)用于控制组成有腿可动机器人100的每个关节致动器的致动，及用于处理来自，例如每个传感器(后面介绍)及外围装置如供电回路的外来输入资料。控制部分也可以包括一个遥控通信接口或通信装置。在图1和2中，控制部分携带于有腿可动机器人100的背部，但是放置控制部分的位置并没有特殊的限制。
本实施例有腿可动机器人100的一个特点是在其躯体关节处给躯体配置自由度。为了使机器人100与人类共处，很重要的是要提供一种如脊椎机构那样灵活的机构，在人的生存环境/空间(如上所述)中执行各种复杂的工作。在躯体关节处提供的自由度相当于人的脊柱。
图3和4是放大图，示出了有腿可动机器人100的躯体结构。
如图所示，躯体关节具有三个自由度，它们被提供与躯体的摇摆轴、躯体俯仰轴及躯体偏转轴相一致。例如，通过进行躯体摇摆轴致动操作，有腿可动机器人100可以使躯体上部相对其下肢朝左、右摇摆。通过进行躯体俯仰轴致动操作，机器人100能自行弯曲使之在径向平面内成V形姿态。通过进行躯体偏转轴致动操作机器人100可以使其上躯体相对下肢转动呈一种扭转姿态。
图5示意性地展示机器人100的关节结构，示出了其的自由度。
如图5所示，有腿可动机器人100具有包括两臂及头1的躯体上部，及用于运动的下肢或左右腿，及将上、下肢相连的躯体。
支承头部1的颈关节具有三个自由度，其与相应的颈关节偏转轴2、颈关节俯仰轴3及颈关节摇摆轴4相一致。
每臂包括肩关节俯仰轴8、肩关节摇摆轴19及上臂偏转轴10、肘关节俯仰轴11、前臂偏转轴及腕关节俯仰轴13、腕关节摇摆轴14及手15。每只手实际上是包括多个手指的结构，以便使之具有多个关节和自由度。但是，由于每只手15自身的操作很少对稳定姿态控制操作和行走控制操作有贡献和影响。因此在本实施例中，每只手15的自由度被假定为零。因此，在本实施例中每臂具有7个自由度。
躯体有三个自由度，它们被配置与相应的躯体俯仰轴5、躯体摇摆轴6及躯体偏转轴7相一致(参看前面的描述及图3、4)。
包括下肢的腿，每条包含臀关节偏转轴16、臀关节俯仰轴17、臀关节摇摆轴18、膝关节俯仰轴19、踝关节俯仰轴20、踝关节摇摆轴21、及脚(或底板)22。臀关节俯仰轴17和其相应的臀关节摇摆轴18的相交点被定义为本实施例机器人100的臀关节的位置。人体的脚(即底板)22实际上是有许多关节和自由度的结构。但是，本实施例有腿机器人100的底板被假定为无自由度。因此，在本实施例中每条腿有6个自由度。
总计一下，本实例中的有腿可动机器人100共有自由度总数为3+7×2+3+6×2=32。但是，娱乐的类人机器人的自度数无需限制为32个。很明显其自由度数量，即关节的数量可以根据，例如在设计和制造时的特定要求和限制条件加以增、减。
上述有腿可动机器人100的每个自由度实际上均是用致动器来提供的。为了满足通过从其外观除去多余的凸部来使此机器人的形式接近人类的自然形态要求、及满足对于用两脚行走来说的不稳定姿态加以控制的要求，优选地，使用小而轻的致动器。在本实施例中，用于类人机器人100的是小交流(AC)伺服致动器，其直接与齿轮系统相连，并合并在马达组件制作在单片系统中的伺服控制系统中。这种AC伺服致动器，例如在日本专利申请11-33386中公开，此申请已经转让给本申请人了。
具有被提供了如图5所示自由度结构的有腿可动机器人100被事先设想到会绊倒或跌倒。其结构件作成使机器人100能够复原，即，能够从几乎任何跌倒后的姿态(请参考下面的详细介绍)中站起来。因此，优选地，在设定每个可运动部分输出力矩的具体要求时，要考虑到从跌倒姿态中进行恢复操作的需要。
图6是类人机器人100控制系统的结构示意图。如图6所示，有腿可动机器人100具有机械部件30、40、50R/L及60R/L，其相应于人类的四肢。有腿可动机器人100还包括控制部分，用于在各个机械部件之间实现类似人运动而进行适当控制(在50R/L及60R/L中的R和L分别表示为右、左，这种标记也会在下面的附图标记中出现)。
有腿可动机器人100的运动，总的来说是由控制部分80来控制的。控制部分80包括主控制部分81及外围回路82。主控制部分81包括回路元件(未示出)例如中央处理器(CPU)芯片及存贮器芯片。周围回路82包括接口(未示出)，用于在，例如在机器人100的动力源和每个结构件之间传送数据及命令。
在本实施例中，动力源包括电池(在图4中未示出)，用于独立致动有腿可动机器人100。在使用独立驱动型时，有腿可动机器人100物理运动半径不受电源电缆的限制，以便能够自由行走。此外，在行走或进行如上肢的其它各种运动期间，不再需要考虑与电源电缆干涉的问题，从而使运动控制更容易。
图5中所示的有腿可动机器人100的每个自由度通过使用相应的致动器来提供。具体地说，头部件30包括颈关节偏转轴致动嚣A2，颈关节俯仰轴致动器A3及颈关节摇摆轴致动器A4，分别被设置在相应的颈关节偏转轴2，颈关节俯仰轴3及颈关节摇摆轴4上。
躯体部件40包括躯体俯仰轴致动器A5，躯体摇摆轴致动器A6及躯体偏转轴致动器A7，分别被设置在相应的躯体俯仰轴5，躯体摇摆轴6及躯体偏转轴7上。
臂部件50R/L分为上臂组件51R/L，肘关节组件52R/L，及前臂组件53R/L。每个臂部件50R/L包括肩关节俯仰轴致动器A8、肩关节摇摆轴致动器A9、上臂偏转轴致动器A10、肘关节俯仰轴致动器A11、肘关节摇摆轴致动器A12、腕关节俯仰轴致动器A13、腕关节摇摆轴致动器A14、分别被设置于与各自相应的肩关节俯仰轴8、肩关节摇摆轴9、上臂偏转轴10、肘关节俯仰轴11、肘关节摇摆轴12，腕关节俯仰轴13及腕关节摇摆轴14相一致。
腿部件60R/L被分为大腿组件61R/L，膝组件62R/L，及胫组件63R/L。每个腿部件60R/L包括臀关节偏转轴致动器A16、臀关节俯仰轴致动器A17、臀关节摇摆轴致动器A18、膝关节俯仰轴致动器A19、踝关节俯仰轴致动器A20、踝关节摇摆轴致动器A21、分别被设置与各自相应的臀关节偏转轴16、臀关节俯仰轴17、臀关节偏转轴18、膝关节俯仰轴19、踝关节俯仰轴20及踝关节摇摆轴21相一致。
优选地每个致动器A2、A3……是小AC伺服致动器，如上所述，它们直接与齿轮系统相连，并合并于马达组件制作在一单片系统中的伺服控制系统中。
用于控制相应致动器致动的子控制组件35、45、55被安置于相应的机械部件上，例如在头部件30、躯体部件40、臂部件50及腿部件60上。安装有地板接触确认传动器91和92用来检测腿60R和60L的底板是否踏踩在地板。用于检测姿态的姿态传感器93被安装在躯体部件40上。利用来自传感器91-93的输出，底板22接触和脱离地板期间的时间，躯体的倾斜及类似信息可被检测，以便动态校正控制目标。
为了使有腿机器人100的上肢，躯体和下肢和谐地运动，主控制部分80根据来自传感器91-93的输出信息合适地控制着子控制组件35、45和55、65。例如，根据用户要求，主控制部件81调出预定的操作方式并设定腿的运动，ZMP(零力矩点)轨迹，躯体运动，上肢运动及腰部高度等。之后，它送出指令，(即是将指令数据送到致动器)用于对每个子控制组件35，45，55，65根据上述的设定来操作。其后，子控制组件35，45，55及65对其收到的主控制部件81的相应命令进行译码处理，以便输出相应的驱动控制信号至每一个致动器A2，A3…。
ZMP就是地板表面上的在机器人行走时地板所产生的反作用力引起的力矩为零的点。ZMP轨迹指，例如机器人100行走时ZMP运动的轨迹。
有腿可动机器人100可以是独立致动型或遥控型机器人。遥控型机器人包括一用于使外部控制装置与通信接口(在图6中未示出)之间通信的一个通信装置(如无线或有线的以太网那样的局域网(LAN))，并能处理来自传感器的输出信息及通过来自该外部控制装置而不是来自主控制部件81的指令，控制每个致动器A2，A3…的致动操作。
下面将描述有腿机器人100在绊倒或跌倒时所进行的操作及流程。图7示意性示出了机器人100绊倒或跌倒时所施行的操作及流程的流程图。
根据每个传感器，例如姿态传感器93的输出，主控制部件81检测或确定于机器人100不再处于其通常的姿态并已经跌倒(步骤S11)。例如，通过在已被测量过的姿态与实际姿态之间的差别或通过底板接触确认传感器91，92，主控制部件81确定机器人100已经跌倒。
有腿可动机器人100跌倒时所采取的姿态大体上为面朝下躺着的、背着地躺着的、及侧身躺着的姿态。从姿态传感器93来的输出使姿态传感器安装部分相对重力方向的方向被探测到。与此同时，通过测量在有腿可动机器人100自身相应关节上的每个自由度相应的位移角度，机器人100已经跌倒后的姿态能够被确定(步骤S12)。
当机器人100跌倒后的姿态已被确定后，主控制部件81就根据跌倒后的姿态如面朝下躺着的，背着地躺着的或侧身躺着的姿态调出站起来的操作方式，或者为了产生该站起来的操作方式而进行计算工作(步骤S13)。
之后，根据已得到的站起来操作方式，对脚的运动、ZMP(零力矩点)轨迹、躯体的运动、上肢的运动及腰部的高度等被设定，然后用于根据这些设定数据进行指令操作的指令被送至相应的子控制组件35，45，55及65(即是将指令数据送至致动器)(步骤14)。
结果致动器A2，A3……同步地被致动，以使机器人100整个躯体和谐地运动并站立起来(步骤S15)。
很明显，取决于机器人100跌倒后的姿态有着各种不同的所要求的使跌倒的有腿可动机器人100站起来的操作方式，在下面详细描述。
当有腿可动机器人100为独立致动型机器人时，需要主控制部分80完成所有下列工作，即决定机器人100是否已经跌倒，确定跌倒后的姿态，设定站起来操作方式以及控制站起来操作方式。另一方面，若有腿可动机器人100是遥控型机器人，外部装置确定机器人100是否已跌倒，确定跌倒后的姿态，产生站起来运作的方式等，以便基于这些操作通过如局域网(LAN)之类的通信装置(如以太网或蓝牙)使机器人100接收指令值而致动机器人100。
下面详细介绍使本实施有腿可动机器人100从各种跌倒后的姿态中站立起来的操作过程。应充分理解，在本实施例中通过用环绕躯体俯仰轴，即环绕致动器A5的可动部分，可以使重心灵活运动以实现站起来的操作。
(1)从面朝下躺着状态站起来图8-13说明了一连串操作，进行这些操作使本实施例的有腿可动机器人100从面朝下躺着状态站起来。
图8示出了有腿可动机器人刚以面朝下躺着姿态跌倒在地板上后的状态。机器人100在这种跌倒状态时，主控制部分80就基于例如姿态传感器93之类的传感器的输出检测或确定机器人100不再处于通常的姿态并已经跌倒。
之后，通过来自姿态传感器93的输出，主控制部分80检测姿态传感器安装部分相对重力方向的方向，并测量配置于每个关节的各个自由度的偏移角度，以便确定有腿可动机器人100目前已经跌倒并处于面朝下躺着的姿态中。
图9示出了面朝下躺着姿态的有腿可动机器人正开始站起来的状态。
在图8所示的面朝下躺着的状态中，有腿可动机器人100的重心处于地板面附近的最低位置。为了使机器人100从此跌倒状下站起来并恢复其稳定的直立姿态，首先需要使其重心回到高的位置。在图9所示的姿态中，在用臂和腿支承整个躯体的同时，其重心G被逐步地向上移。在此，有腿可动机器人100中，两肩关节俯仰轴致动器A8、两肘关节俯仰轴致动器A11、躯体俯仰轴致动器A5、臀关节俯仰轴致动器A17、膝关节俯仰轴致动器A19及踝关节俯仰轴致动器A20被首先移动。
在图10中，两肩关节俯仰轴致动器A8、两躯体俯仰轴致动器A5，及臀部关节俯仰轴致动器A17首先被进一步移动，以便进一步向上升高其重心G的位置。与地面接触的臂部和与地板接触的相应的腿部之间的距离被逐渐地减小。在此图所示的本实施例中，其臂与地板面接触的部分是其端部(即手)，而腿与地板接触的部分是脚末端(即脚趾)。但是，它们接触地板的部分并不特定地限于其中。
在图11中，使与地接触的臂部和与地相接触的相应腿部间的距离被变得更短，从而使重心G沿脚向上方向(即在稳定状态区域中)移动。在此，只有臂端(即指尖)与地板接触，而且，与地板接触的腿部分亦转变为脚的底板。通过首先致动两肩关节俯仰轴致动器A8、两肘关节俯仰轴致动器A11、躯体俯仰轴致动器A5、两臀部关节俯仰轴致动器A17以及膝关节俯仰轴致动器A19使机器人100转变为图11所示姿态。特别是，躯体俯仰轴致动器A5及膝关节俯仰轴致动器A19被最大地移动，且躯体和膝盖被弯屈到可能的程度以使重心G与脚底板间的距离小于臂长。这样就有可能将两膝插入两臂之间，以便使重心平稳地移动。
结果，ZMP(零力矩点)被完全进入脚接触地板的区域，使臂脱离地板表面成为可能。在发明技术领域中介绍过的实施例中，机器人的躯体没有自由度，因而在机器人处于使臂与脚接触地板的姿态时，难以将ZMP移入脚接触地板的区域中。但在本实施例中，其躯体在俯仰轴处有自由度，因而使其可以采用图11所示的姿态。
图12示出了通过使臂端离开地板面及通过由于致动两膝关节俯仰轴致动器A19而使腿进一步伸展，重心G进一步上移的状态。躯体俯仰轴致动器A5、两臀关节俯仰轴致动器A17、两膝关节俯仰轴致动器A19及踝关节俯仰轴致动器A20主要被移动。
图13展示由于重心G仍然继续向上移动而使机器人100几乎接近直立姿态的状态。躯体俯仰轴致动器A5、两臀部关节俯仰轴致动器A17、两膝关节俯仰轴致动器A19及两踝关节俯仰轴致动器主要是被移动。
如图8-13所示，本实施例的有腿可动机器人100能独立地从面朝下躺着姿态中站起来(不借助任何外力帮助)。应该充分理解在站起来操作期间的躯体俯仰轴移动是一个重要因素。
(2)从背着地躺着的姿态站起来图14-20说明一连串操作，这些操作的实施使有腿可动机器人100从背着地躺着的状态站起来。
图14示出了机器人100刚以背着地躺着的姿态跌倒在地板面上之后的状态。在此跌倒状态中，基于如姿态传感器93那样的传感器输出，主控制部分80检测或确定机器人100已不再处于其正常的姿态中并已经跌倒了。
图15示出了一种状态，在此状态中，其跌倒姿态已被确定的有腿可动机器人100已开始从其跌倒后的背着地躺着的姿态站立起来。具体地说，首先是两臀部关节俯仰轴致动器A17被移动，以便相对升高其躯体上部并使该机器人100采取其腰接触地板的姿态。两肩关节俯仰轴致动器A8也被致动，以便使两臂准备与地板接触。
图16示出了在其腰与地板接触的同时使腿进一步移动的状态。具体地说，两臀部关节俯仰轴致动器A17，两膝关节俯仰轴致动器A19及两踝关节俯仰轴致动器A20被运动，以便使机器人100准备采用使其两脚的底板接触地板的姿势。
在图17中，躯体俯仰轴致动器被进一步移动，并在与此同时，与地板接触的臂部及与地板接触的相应的腿部之间的距离变得更短。这样就使有腿可动机器人100的重心G开始向上运动，并且使ZMP开始逐渐地朝腿运动。
在图18中，通过使与地板接触的臂部及与地板接触的相应的腿部间的距离进一步减小，使ZMP朝脚运动。两膝关节俯仰轴致动器A19被进一步致动而使重心G向上移动。于是，由于ZMP移入其底板与地板接触的区域，臂和腰可以脱离地板表面。
根据本实施例的有腿可动机器人100，通过使躯体最大地弯曲并使之采用朝前弯曲的姿态，ZMP能被朝脚运动并进入底板与地板接触区域。应充分地体会到，通过利用绕躯体关节俯仰轴致动器A5的可移动部分，能使臂和腰离开地板。
在图19中，在臂离开地板后，通过使机器人100采取伸展姿态而使重心进一步朝上运动。在这里，主要是两裸关节俯仰轴致动器A20、两膝关节俯仰轴致动器A19、两臀部关节俯仰轴致动器A17及躯体关节俯仰轴致动器A5被致动。
图20示出了一种状态，在此状态中，由于腿进一步伸展使重心上移，使机器人100处于近似直立的姿态中，主要是躯体关节俯仰轴致动器A5、两臀关节俯仰轴致动器A17、两膝关节俯仰轴致动器A19、以及两踝关节俯仰轴致动器A20被移动。
背着地躺着的姿态一般为有腿可动机器人不能轻易从中站起来的跌倒状态中的一种。本实施例的有腿可动机器人100通过利用绕躯体俯仰轴的可运动部分，能够根据图15-20所说明的一系列操作方式平稳地站立起来。换句话说，通过在躯体上提供允许运动的多于一个的自由度，就可以容易地实现从背着地躺着的状态中站起来的操作。
为了从背着地躺着的姿态站起来操作，用于使已侧身放置的机器人100站起来的操作方式可以被利用并添加到上述的操作方式中，使该机器人100沿躯体正面方向站起来。对于前一操作方式以下将详细介绍。
(3)从侧身躺着的姿态站起来即便使有腿可动机器人100难以从侧身躺着的姿态中站起来，但也可以通过临时将侧身躺着的姿态转换为机器人可以站起来的姿态如面朝下躺着姿态或背着地躺着的姿态，例如使机器人100按照上述二操作方式中的一种方式从跌倒姿态恢复到直立姿态。在这里，将描述使机器人100独立地从侧身躺着的姿态转换为面朝下躺着的姿态的操作方法。在本说明书中，应该理解，侧身躺着的姿态是一种在左、右侧面水平对称的姿态(这适用于下面的情况)。
图21-26示出了本实施例有腿可动机器人100从侧身躺着姿态中站起来的操作方式实例。此操作方式基本上将跌倒后的姿态通过利用绕躯体偏转轴的可动部分变换为面朝下躺着的姿态。
图21示出了有腿可动机器人100刚以侧身躺着姿态跌倒在地板上的状态。在此跌倒状态中，主控制部分80检测或确定机器人已不处于通常的姿态中，并已经跌倒了。
图22示出了一种状态，在此状态中，在确定了有腿可动机器人100以侧身姿态躺着后开始执行改变机器人100的姿态为面朝下躺着姿态的操作方式。具体地说，左肩关节俯仰轴致动器A8及类似物被移动，以便作为向身体前侧移动左臂的结果来使重心移动。
在图23中，通过转动躯体偏转轴致动器A7，躯体上部接近于面朝下躺着的姿态。在此同时，为了使整个左臂朝躯体正面运动，左臂部关节俯仰轴致动器A17也被移动，由此而使重心朝图形平面的前侧移动。
在图24中，左臂已与地板接触，从而使机器人更接近面朝下躺着的姿态，这是由于连续地转动躯体偏转轴致动器A7及左臀部关节俯仰轴致动器A17的结果。
在图25中，由于躯体偏转轴致动器A7及左臀部关节俯仰轴致动器A17连续地转动，即使重心G失去稳定性。因此，有腿可动机器人100的整个躯体朝图形平面前侧倒下，并且左臂与地面接触。躯体上部的姿态转变为面朝下姿态躺着已取得相当大的成功。
在图26中，由于躯体偏转轴致动器A7及左臀部关节俯仰轴致动器A17连续转动，机器人100的姿态已完全转变成面朝下躺着的姿态。从这个姿态，有腿可动机器人100可以独立地(无需外力帮助)根据例如图8-13已介绍过的那种操作方式站立起来。
在图21-26所示的实例中，对通过主要利用致动躯体偏转轴致动器A7来使机器人100的姿态转变为面朝下躺着的姿态进行了描述。姿态间的转换也可以采用别的操作方式来更加平稳地施行，例如利用进一步致动躯体摇摆轴致动器A6，(即沿躯体偏转轴前面移动躯体摇摆轴)。这种同时利用躯体摇摆轴致动器A6及躯体偏转轴致动器A7将机器人从其侧身躺着的姿态转变为面朝下躺着的姿态的操作方式在下面参照图27-28介绍。
在图27中，由于躯体摇摆轴的转动，机器人处于只有一条腿与地板接触的姿态中。在此姿态中，通过减少右肩接触地板时所产生的反作用力来使机器人100的躯体上部离开地板。
在图28中，躯体偏转轴致动器A7被转动。由于躯体摇摆轴致动器A6已被移动，使躯体偏转轴致动器A7致动所需的力矩就被减少。此外，整个机器人100的姿态中的变化也被减少。结果有可能节约能源，即可以节省在将机器人100从侧躺转为面朝下躺着姿态时所需的电池的负载量。
通过利用上面介绍的两种操作方式可以将有腿可动机器人100从侧身躺着的姿态转变为面朝下躺着的姿态。当已临时地将机器人100的姿态转变为图8所示的面朝下躺着的姿态时，有腿可动机器人100就可以根据图9-13中所示的上面介绍过的一系列站起来操作方式独立地恢复其直立的姿态(无任何外力帮助)。
如果机器人100处于能够自由运动的状态中。例如，处于其臂和脚能自由运动的状态中，那末，利用该运动合力的反作用力就能产生环绕躯体偏转轴的高速运动。但是，在人们考虑有腿可动机器人跌倒状态时，利用弹跳力的方法可靠性差，并难于控制运动速度，其对环境及机器人自身的维护均产生不利影响。考虑到机器人不再处于其正常姿态中并且已经跌倒，优选地，操作方式应是这样的，运动速度是慢的，但姿态间的转变被可靠地进行。
(4)从背着地姿态中站起来图29-34说明了使机器人100从其背着地躺着的姿态中站起来的站起来操作方式的另一实例。在上面已结合图14-20介绍过的实例中，已经引入了用于使有腿可动机器人100沿着躯体前侧的方向站立起来的操作方式。在这里将介绍用于首先通过侧横运动，使有腿可动机器人100背着地躺着的姿态转变为另外的姿态后再站起来的操作方式。
图29示出了有腿可动机器人100刚以背朝地躺着姿态跌倒于地板上后的状态。在此跌倒状态中，主控制部分80根据如姿态传感器93那样的各传感器的输出检测或确定机器人100已不再是处于通常的姿态中，并且已经跌倒了。在此实例中，选定首先将机器人100的姿态变为侧身躺着的姿态，然后再转变为面着地躺着的姿态的操作方式。
在图30中，在脚和臂部都与地板接触的同时，通过转动两个臀部关节偏转轴致动器A16使躯体的上部沿所期望的转动方向相对扭转。同时，通过使右肩关节俯仰轴致动器A8转动，使在躯体上部与地板表面之间的干涉被防止发生。此外，通过转动左肩关节俯仰轴致动器A8来促使重心朝该扭转方向运动。
在图31中，由于在左脚接触地板的同时转动右臀部关节偏转轴致动器A16，整个右腿被沿扭转方向进一步转动。与此同时，左肩关节俯仰轴致动器A8及躯体偏转轴致动器A7为了使重心沿预定方向运动而被转动。
在图32中，躯体偏转轴致动器A7被进一步回转，以便基本完成躯体上部的转动。并同时，确保右臂与地面板接触。
在图33中，为了使腰沿预定传动方向以用于更平稳地转动，主要是右臀部关节偏转轴致动器A10被转动。
图34示出了一种状态，在此状态中，机器人100的姿态转换为侧身躺着的姿态已差不多被完成。通过进一步转动躯体摇摆轴致动器A6，可以促进该扭转运动，可以实现更平稳地将机器人100从其侧身躺着的姿态转换到面朝下躺着的姿态。
通过支持用于将机器人100的姿态从背着地躺着的姿态转换为侧身躺着的姿态。并然后又从侧身躺着的姿态转换为面朝下躺着的姿态的操作方式，有腿可动机器人100只需要能够实施一种从面朝下躺着的姿态站起的操作方式以便可以独立地从任何跌倒的状态站起来。
通过实施与上述情况相反顺序的操作方式以便使操作以图34所示的状态开始，而且以图29所示的状态结束，机器人的姿态就能从图21所示侧身躺着姿态转换成图29所示的背着地躺着的姿态。
通过重复地将姿态从背着地躺着转换为侧身躺着及从侧身躺着转换为面朝下躺着状态，有腿可动机器人100就能沿地板面移动，即在其跌倒状态下沿地板面移动。例如，若万一机器人100由于跌倒而进入了一个在机器人上方有障碍物的地方(或进入了天花板低的地方)，通过在其跌倒状态下使其沿地面移动，就能使机器人100到达在其上方无障碍物的地方。
本发明已经结合一个具体的实施例进行了详细的介绍。但是，很明显，本领域的技术人员无需背离本发明的要旨就可以作出改进和替换。
在本说明书中，用于使用两脚行走的有腿可动机器人跌倒后站起来的操作的典型实例已被介绍。但是，站起来操作方式不只限于附图中说明的那些。应该理解，根据机器人躯体的状态和性能，或根据周围的环境/条件，可以将站起来的操作方式改变为合乎期望的方式。
简言之，以各种形式说明的本发明只是为了描述的目的。因此，应理解为本发明不受限于这些形式。为了确定本发明的主旨，应参看本发明的权利要求。
在确定本发明的主旨时，将用两脚行走的有腿可动机器人100的术语“关节”严格地限定为图3所示的范围是不合适的，这个术语应该通过与如人或猴那样的用两脚直立地行走的实际动物躯体的机构相比较后灵活地解释。
用于参考，在图49中示出了有腿可动机器人的关节模型结构。在此图所示的关节模型结构中，机器人从肩关节5到上臂，到肘关节6，到前臂，到腕7及到手8的部分叫上肢部分，从肩关节5到臀部关节11的部分叫躯体，其相应于人类的躯体。躯体部分具体是从臀部关节11到躯体关节10被称为腰。躯体关节10进行操作以便提供由人类的脊柱所提供的自由度。臀部关节11下面的部分包括大腿12，膝关节14，下腿13，踝15及脚16，被称为下肢部分。一般说来，臀部关节以上部分称躯体上部，臀部关节以下的躯体部分被叫作躯体下部。
应该理解，图49中所用的附图标记不与说明书中其它图中例如在图5中的附图标记相对应。
如可从前面详细说明中可以理解到，根据本发明，可提供一种优秀有腿可动机器人，例如在其行走或工作中跌倒时，它能自行站立起来，还提供了其的控制机构。
根据本发明可以提供一种优秀的有腿可动机器人，它可以从其各种跌倒姿态中独立站立起来，并能自动地开始因其跌倒而被中断的工作，并提供了其的控制机构。
根据本发明可以提供一种优秀的有腿可动机器人及其控制机构，此机器人能够可靠并平稳地独立从，如面朝下躺着、背着地躺着及侧身躺着那样的各种跌倒状态中站立起来。
本发明能够有助于恢复操作，即有助于从有腿可动机器人的跌倒姿态中站立起来的操作。此外，在站立起来操作期间，不同于躯体部分的可动部分上所需的力矩及负荷被减小。此外，在各个可动部分之间的负荷能被分散和平均，从而能够防止负荷被集中于一特定部分上。结果，在站起来操作期间机器人的能量被更有效利用、运行更可靠。
通过顺序地将跌倒姿态从一种变为另一种，根据本发明的有腿可动机器人能够选择地执行更容易站起来的操作方式。
根据本发明的有腿可动机器人，通过顺序地重复多个跌倒姿态，机器人无需站立起来就能在平地上移动。因此，机器人可以运动到更易于站起来的地方后再站起来。
根据本发明的有腿可动机器人跌倒姿态能被变化，以便可以减少必须支持的站起来操作方式的数目和型式。
例如，在事先给机器人提供其站起来操作方式时，由于减少了操作方式数目，其开发周期及开发费用均能降低。通过减少操作方式数量，在硬件上的负荷可被降低，因此使此系统可望获得相应的改进。
当根据机器人所处条件独立地产生操作方式时，通过减少了要被产生的操作方式的数目，安装于机器人自身内的计算机部件上的负荷被减低，由此可望减低部件制造成本，并期望机器人可更可靠地运作。
根据本发明的有腿可动机器人，可以通过变化机器人跌倒姿态，限制其站起来操作方式，结果，例如，使此机器人站起来所要求的各个致动器的输出力矩及工作范围可被减低。因此，设计此机器人的自由度更大，其开发周期和制造成本能够减少。
由于跌倒姿态的变换而使机器人站起来所执行的方法能被限制，因此在站起操作期间可节省机器人消耗的电力，并减少在电源如电池上的负荷。因此可使电池运行时间延长，并可通过一次充电作业而在长的时间内进行连续运行。其结果是，例如使机器人工作时间工作空间及工作内容均可增大。此外，由于所要求的电池容量也可被减少，电池可以被制成更小及更轻，因此可以更自由地设计此机器人。此外，由于电池的特殊要求的数量被减少，使电池制造成本下降，因而可以使整个系统的制造成本及运行费用被降低。
权利要求
1．一种有腿可动的机器人，包括至少下肢以及置于下肢上方的躯体上部，并且可通过下肢的运动而移动，其特征在于，所述有腿可动的机器人还包括用于判定机器人是否已跌倒的装置；用于在机器人跌倒后确定机器人的姿态的装置；以及用于根据跌倒后的姿态施行一种站起来的操作方式的装置。
2．一种有腿可动的机器人，包括至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，其特征在于，所述有腿可动的机器人还包括用于确定机器人是否已跌倒的装置；用于在确定机器人已跌倒后确定机器人的姿态的装置；以及用于根据跌倒后的姿态施行一种站起来的操作方式的装置。
3．一种有腿可动的机器人，包括至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，其特征在于，所述有腿可动的机器人还包括用于判定机器人是否已跌倒的装置；以及用于在机器人已跌倒时施行一种站起来操作方式的装置，此操作方式包括至少一种与允许在躯体处有自由度的运动相一致的移动。
4．如权利要求3所述的机器人，其特征在于，躯体具有至少一种允许沿俯仰轴方向有自由度的运动；并且站起来的操作方式采用允许沿躯体的俯仰轴方向有自由度的运动。
5．如权利要求3所述的机器人，其特征在于，躯体具有至少一种允许沿偏转轴方向有自由度的运动；而且站起来操作方式采用允许沿躯体的偏转轴方向有自由度的运动。
6．如权利要求3所述的机器人，其特征在于，躯体具有至少一种允许沿摇摆轴方向有自由度的运动；而且站起来操作方式采用允许沿躯体的摇摆轴方向有自由度的运动。
7．一种有腿可动的机器人，具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，其特征在于，所述有腿可动的机器人还包括用于确定机器人是否已跌倒的装置；用于在机器人已跌倒后确定机器人的姿态的装置；以及用于在机器人已跌倒后实施一种变换到另一种跌倒姿态的操作方式的装置。
8．如权利要求7所述的机器人，其特征在于，躯体具有至少允许沿俯仰轴方向有自由度的运动，并且用于转换到另一种跌倒姿态的操作方式采用允许沿躯体俯仰轴方向有自由度的运动。
9．如权利要求7所述的机器人，其特征在于，躯体具有至少允许沿偏转轴方向有自由度的运动；并且用于变换到另一种跌倒姿态的操作方式采用允许沿躯体偏转轴方向有自由度的运动。
10．如权利要求7所述的机器人，其特征在于，躯体具有至少一种允许沿摇摆轴方向有自由度的运动；并且用于变换到另一种跌倒姿态的操作方式采用允许沿躯体摇摆轴方向有自由度的运动。
11．一种用于有腿可动机器人的操纵控制方法，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，其特征在于，所述方法包括以下步骤确定机器人是否已跌倒；在机器人跌倒后，确定机器人的姿态；以及根据跌倒姿态施行一种站起来的操作方式。
12．一种用于有腿可动机器人的操纵控制方法，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，其特征在于，所述方法包括以下步骤确定机器人是否已跌倒；在机器人跌倒后，确定机器人的姿态；以及根据跌倒的姿态施行一种站起来的操作方式。
13．一种用于有腿可动机器人的操纵控制方法，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，其特征在于，所述方法包括以下步骤确定机器人是否已跌倒；在该机器人已跌倒时施行包括至少一种与允许在躯体处有自由度的运动相一致移动的站起来的操作方式。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于，躯体具有至少一种允许沿俯仰轴方向有自由度的运动；并且站起来的操作方式采用允许沿躯体俯仰轴方向有自由度的运动。
15．如权利要求13所述的方法，其特征在于，其中躯体具有至少一种允许沿偏转轴方向有自由度的运动；并且站起来的操作方式采用允许沿躯体偏转轴方向有自由度的运动。
16．如权利要求13所述的方法，其特征在于，躯体具有至少一种允许沿摇摆轴方向有自由度的运动；并且站起来的操作方式采用允许沿躯体摇摆轴方向有自由度的运动。
17．一种有腿可动机器人操纵控制方法，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，其特征在于，所述方法包括以下步骤确定机器人是否已跌倒；以及用于在机器人已跌倒后执行一种转换到另一种跌倒姿态的站起来操作方式。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于，躯体具有至少一种允许沿俯仰轴方向有自由度的运动；并且转换到另一种跌倒姿态的操作方式采用允许沿躯体俯仰轴方向有自由度的运动。
19．如权利要求17所述的方法，其特征在于，躯体具有至少一种允许沿偏转轴方向有自由度的运动；并且转换到另一种跌倒后姿态的操作方式采用允许沿躯体偏转轴方向有自由度的运动。
20．如权利要求17所述的方法，其特征在于，躯体具有至少一种允许沿摇摆轴方向有自由度的运动；并且转换到另一种跌倒姿态的操作方式采用允许沿躯体摇摆轴方向有自由度的运动。
21．一种操纵控制方法，用于在有腿可动机器人在以面朝下趴着姿态跌倒时控制机器人的操作，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，所述方法包括以下步骤通过利用至少一种允许在躯体俯仰轴处有自由度的运动，使机器人采取只是以臂及腿接触地板的姿态；通过利用至少允许在躯体俯仰轴处有自由度的运动，使有腿可动机器人的重心向上运动；通过利用至少允许在躯体俯仰轴处有自由度的运动，减小臂部的与地板接触的位置与相应腿部的与地板接触的位置的相对距离；以及由于与地板接触的臂部和与地板接触的相应腿部相互靠得足够近，响应有腿可动机器人的ZMP进入脚与地板接触的区域，使整个躯体开始伸展。
22．一种操纵控制方法，用于在有腿可动机器人以仰面姿态跌倒时控制机器人的操作，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，所述方法包括以下步骤通过利用至少一种允许在臀关节俯仰轴处有自由度的运动，使机器人采取躯体上部抬起的姿势；通过利用至少一种允许在躯体俯仰轴处有自由度的运动，使有腿可动机器人的重心向前移动；以及由于重心充分地朝前移动，响应有腿可动机器人的ZMP进入脚与地板接触的区域使整个躯体开始伸展。
23．一种操纵控制方法，用于在有腿可动机器人以侧躺姿态跌倒时控制机器人的操作，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并且可通过下肢的运动而移动，所述方法包括以下步骤通过利用至少一种允许在躯体偏转轴处有自由度的运动，使机器人采取面朝下趴着的姿态。
24．一种操纵控制方法，用于在有腿可动机器人以侧躺姿态跌倒时控制机器人的操作，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并且可通过下肢的运动而移动，所述方法包括以下步骤通过利用一种允许在躯体摇摆轴处有自由度的运动，使机器人的躯体上部从地板表面抬起；以及通过利用一种允许在躯体偏转轴处有自由度的运动，使该机器人采取面朝下趴着的姿态。
25．一种操纵控制方法，用于在有腿可动机器人以仰面姿态跌倒时控制机器人的操作，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并可通过下肢的运动而移动，所述方法包括以下步骤通过利用至少允许在躯体偏转轴处有自由度的运动使该机器人采取侧躺姿态。
26．一种操纵控制方法，用于在有腿可动机器人跌倒时控制机器人的操作，机器人具有至少下肢以及置于下肢上方并具有允许在躯体处有自由度的预定运动的躯体上部，并且可通过下肢的运动而移动，所述方法包括至少以下步骤之一(a)使机器人的姿态从仰面姿态转变为侧躺姿态；(b)使机器人的姿态从侧躺姿态转变为趴下姿态；(c)使机器人的姿态从趴下姿态转变为侧躺姿态；以及(d)使机器人的姿态从侧躺姿态转变为仰面姿态。
全文摘要
一种有腿可动机器人,具有配置于躯体摇摆轴、偏转轴和俯仰轴处的自由度。利用这些自由度可使机器人从任何跌倒姿态中平稳站起。此外,通过减少躯体以外的其它可动部分上所需力矩和负荷,并通过使各个可动部分间的负荷分散/平均,可防止负荷集中在一特定部件上。结果,机器人操作更可靠,并在站立中能量利用率更高。本发明的机器人能独立、可靠及平稳地从背着地,面朝下及侧身躺着的各种跌倒姿态中站立起来。
文档编号B25J13/00GK1297805SQ0013750
公开日2001年6月6日 申请日期2000年11月24日 优先权日1999年11月24日
发明者服部裕一, 石田健藏 申请人:索尼公司