专利名称：控制两足步行机器人的方法
技术领域：
本发明涉及控制两足步行机器人的方法，尤其涉及控制两足步行机器人使其以适当的平衡稳定行走的方法。
背景技术：
在传统两足步行机器人中，步行模式数据(以下称为步行姿态数据)被预先输入，并且步行的控制是基于步行姿态数据的。因此，两条腿是根据步行控制而进行运转的，以便获得两足步态。
在传统两足步行机器人中，由于地面状况、机器人的物理参数等使得两足步态有可能不稳。并且，有时机器人会摔倒。
步行控制可以基于机器人的实时情况，而无需预先输入步行姿态数据。然而，不管实时情况是怎样，由于地面状况等未预料因素使得机器人有可能摔倒。
为了使两足步态稳定，需要利用ZMP(零矩点，zero moment point)对机器人进行补偿，在ZMP中，作用在机器人足底上的地面反作用力和重力所产生的合力矩等于零。作为ZMP补偿的一个例子，在日本专利出版物No.1993-305586中公开了一种ZMP补偿的控制方法，其中使用顺应性控制(compliance control)通过移动机器人的上体和修正机器人足部放置的位置来实现ZMP补偿。
典型的是，作用在机器人足部上的地面反作用力可以通过应变仪式测力传感器进行测量，在应变仪式测力传感器中，应变仪连至在外力作用下能产生应变的弹性体上，其中应变仪形成惠斯通电桥电路的一部分。这里，应变仪式测力传感器将外力转换成电信号。然而，这样的测力传感器应该制造地非常精确，并且需要相对较多的附加电路，从而使得应变仪式测力传感器主要用于接收较大力的结构，而不适于诸如步行机器人之类的小结构。
发明内容
由此，本发明的一方面是提供一种控制两足步行机器人使其稳定行走且保持适当平衡的方法，其中使用了更有效的传感器，并且使用所述传感器检测到的地面反作用力确定地面反作用力平面。
本发明的附加方面内容和/或优点将在以下的描述中部分得到阐述，部分从说明书中可以得到显而易见的了解，或者可以通过实施本发明而得知。
通过提供一种控制两足步行机器人的方法来实现本发明的前述和/或其他方面，其中所述两足步行机器人具有主体、可移动地连接至主体下部相对侧面的腿、以及驱动所述腿的致动器，所述两足步行机器人基于检测到的地面反作用力控制致动器以平衡机器人。所述方法包括为多个连至腿底部的传感器的位置给定X和Y坐标；为作用在腿底部至少三个点上的所检测到的地面反作用力的值给定Z坐标；基于检测到的地面反作用力确定地面反作用力平面，并且计算垂直于地面反作用力平面的法向向量；计算围绕X轴的横摇角(roll angle)以及围绕Y轴的纵摇角(pitch angle)，以使法向向量与重力方向上的参考向量对齐；以及响应于横摇角和纵摇角驱动致动器。
根据本发明的一方面，传感器包括薄膜型力传感器。
根据本发明的一方面，为传感器指定坐标可以包括在每个腿的底部上且在矩形的角上排布多个传感器；以及将矩形的对角线的交点看作坐标系的原点。
根据本发明的一方面，计算横摇角和纵摇角包括通过解方程θx=sin-1(qq2+r2)]]>计算横摇角；以及通过解方程θy=sin-1(pp2+r2)]]>计算纵摇角，其中p、q和r分别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。
附图简述结合附图，通过对实施例的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得更加清晰和易于理解，其中
图1示出根据本发明的传感器的排布；图2示出根据本发明的给予传感器的坐标的例子；图3和4示出根据本发明开方求地面反作用力平面的Z坐标；图5示出根据本发明的地面反作用力平面、法向向量以及重力向量之间的关系；图6示出根据本发明的横摇角和纵摇角；以及图7是根据本发明的控制两足步行机器人的方法的流程图。
具体实施例方式
下面将详细描述本发明的实施例，本发明的例子示出在附图中，其中相同的标号指示相同的元件。下述实施方式旨在参照附图对本发明进行说明。
图1示出根据本发明的传感器的排布。如图所示，在两足步行机器人中，传感器3连至机器人足底1的各个角。
优选地是，每个传感器3是薄膜型力传感器，例如力敏电阻器(FSR)。
FSR可以是通常用作计算器按钮、电梯按钮等等的数字开关类型的力敏电阻器，其将施加的压力的改变转换成电阻的改变。即，FSR是聚合物厚膜(PTF)器件，施加在其活性表面上的力的增加会引起它的电阻的减小。
FSR排布在机器人足底1的各个角处。每个FSR覆盖有具有预定直径的圆形橡胶垫，然后被连接至足底1的盖板固定。通过这样的结构，机器人足底1被完全组装，并且精确地检测机器人的载荷。通过使用排布在足底1角上的FSR，与使用应变仪式测力传感器相比，降低了生产成本。
由此，根据本发明的两足步行机器人使用了便宜的FSR，因为与收集来自传统应变仪式测力传感器FSR的信息所需的系统相比，收集来自FSR的信息所需的附加系统比较简单，因此FSR对于诸如步行机器人这样的小结构来说足够了。
在图2至6中，朝向X1和X2的方向表示向前的方向，并且机器人站在倾斜至向前方向的表面或地面。图2至6示出机器人姿态的例子，然而机器人的姿态不限于所示例子。在图2至6中，X1、X2、X3和X4表示在XYZ笛卡尔坐标系中的三维坐标。这样，在Z坐标为零的情况下，X1、X2、X3和X4也可以被认为表示XY平面中的两维坐标。
图2示出为图1中传感器指定坐标的坐标例子。如图所示，假设X1和X2之间的距离是图1中所示的“a”，X1和X3之间的距离是图1中所示的“b”，四个传感器3排布在足底1上矩形的各个角处，矩形的两条对角线“d”和“e”的交点设定为原点(0，0)。
并且，在X2的坐标(x，y)均为正的情况下，传感器3的坐标如下X1(-a/2，b/2)，X2(a/2，b/2)，X3(-a/2，-b/2)，X4(a/2，-b/2)。
在该实施例中，两个对角线“d”和“e”的交点被看作原点，X2的坐标(x，y)具有正值。然而，这样的设置是为了帮助理解本发明，而不应作为对本发明的限制。在不偏离本发明的范围的情况下，原点和坐标可以指定为不同的情形。
图3和4示出根据本发明开方求Z坐标以识别地面反作用力平面，图5示出根据本发明的地面反作用力平面。
在图3至5中，标号5表示垂直于重力方向的水平面，标号7表示地面反作用力平面。在图5中，标号9表示垂直于地面反作用力平面的法向向量，标号11表示重量方向的参考向量。并且，在图3中，箭头“A”的长度代表X1处的地面反作用力的大小；在图4中，箭头“B”的长度代表X2处的地面反作用力的大小；以及在图2和3中，箭头“C”的长度代表X3处的地面反作用力的大小。
众所周知，在给定坐标系中的平面可以用三个坐标规定。在同样意义上，基于对应从四个传感器3中所选的三个传感器3的三个坐标，确定地面反作用力平面。在该实施例中，坐标X1、X2和X3但不包括X4用于确定地面反作用力平面，然而所选的用于确定地面反作用力平面的坐标可以根据需要改变。
在图3中，箭头“A”和“C”分别示出了在X1和X3处沿Z坐标方向的地面反作用力。在地面向前倾斜的情况下，X1处的向前地面反作用力“A”大于X3处的向后地面反作用力“C”。这里，传感器检测X1和X3处的地面反作用力，并且传送与X1和X3处的力相对应的电信号。电信号转换成预定的值，并且用于分析地面的倾斜度。从传感器3传送的电信号被分析，然后用于识别与倾斜地面相平行的地面反作用力平面。
相类似地，在图4中，箭头“B”和“C”分别示出了在X2和X3处沿Z坐标方向的地面反作用力。在地面倾斜向前方向的情况下，X2处的向前地面反作用力“B”大于X3处的向后地面反作用力“C”。这里，传感器检测X2和X3处的地面反作用力，并且传送与X2和X3处的力相对应的电信号。电信号转换成预定的值，并且用于分析地面的倾斜度。
这样，如图5所示，基于XYZ笛卡尔坐标中的传感器3的坐标以及检测到的地面反作用力，确定包括X1、X2和X3三个点的地面反作用力平面7。并且，可以计算垂直于地面反作用力平面7的法向向量9。
这里，使用三个点的坐标能容易地计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大致涉及两足步行机器人的机器人腿的纵轴。因此，当机器人走在诸如如图3至5中所示的倾斜向前方向的倾斜地面上时，机器人腿的纵轴将与重力方向平行，以便保持机器人平衡。
因此为了使计算出的垂直于地面反作用力平面7的法向向量9与重力方向的参考向量11对齐，计算补偿角度，然后根据补偿角度移动机器人腿。
参考图6，示出横摇角和纵摇角，补偿角度计算如下。
在图6中，θx是法向向量9围绕X轴的转动角度，被称为横摇角，θy是法向向量9围绕Y轴的转动角度，被称为纵摇角。并且，“p”、“q”和“r”的长度分别示出法向向量9的X、Y和Z分量的大小。
如图6所示，横摇角θx定义为法向向量9在YZ平面上的投影与Z轴之间的角度，并且根据方程式(1)计算。
θx=sin-1(qq2+r2)···(1)]]>相类似地，纵摇角θy定义为法向向量9在XZ平面上的投影与Z轴之间的角度，并且根据方程式(2)计算。
θy=sin-1(pp2+r2)···(2)]]>在计算θx和θy之后，致动器驱动机器人腿的轴，从而基于所计算的横摇角θx和所计算的纵摇角θy，即补偿角度，使机器人腿的轴与重力方向对齐。
图7是根据本发明控制两足步行机器人的方法的流程图。如图所示，在操作S1中，传感器3分别连至机器人足底1的各个角。在操作S3中，为每个传感器给定坐标。在操作S5中，传感器3检测地面反作用力。在操作S7中，基于传感器3的坐标和检测到的地面反作用力确定地面反作用力平面7。这里，每个传感器3的坐标和对应检测到的地面反作用力的各个传感器的Z坐标可以表示为在XYZ笛卡尔坐标中的一个三维坐标。并且，在这样的三维坐标中至少三个坐标用于确定一个地面反作用力平面7。
在操作S9中，计算垂直于地面反作用力平面7的法向向量9。在操作S11中，围绕X轴的横摇角和围绕Y轴的纵摇角被计算，以便使法向向量9与重力方向的参考向量11对齐。这里，通过解以上所示的方程(1)和(2)可以获得横摇角和纵摇角。
在操作S13中，致动器驱动机器人腿的轴，从而基于计算的横摇角和纵摇角，即补偿角度使机器人腿的轴与重力方向对齐。
在以上描述中，没有描述可转动地使小腿、膝盖和主体彼此相连的关节。然而，前述致动器通常包括关节驱动器，用于驱动膝盖附近的关节。
这里，基于所计算的补偿角度通过控制器(未示出)适当地控制电动机，以便在两足步行机器人行走在倾斜平面上时使两足机器人保持平衡。
在上述实施例中，本发明应用于控制两足步行机器人的方法。然而，涉及计算补偿角度以通过确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、来保持平衡的方法，本发明可以应用于任何需要将传感器连至至少三个点并且测量地面反作用力、以通过这样获得平衡的系统中。
通过该结构，使用更有效的传感器并且基于地面反作用力确定地面反作用力平面，使得两足步行机器人能保持平衡并且行走稳定。
如上所述，本发明提供一种控制两足步行机器人使其在保持适当平衡的同时稳定地行走的方法，其中使用更有效的传感器，并且使用所述传感器检测的地面反作用力以确定地面反作用力平面。
尽管对本发明的一些优选实施例进行了展示和描述，但本领域技术人员将会理解在不偏离本发明的原理和实质的情况下，可对这些实施例进行改变，其范围也落入本发明的权利要求及其等同物所限定的范围内。
权利要求
1.一种控制两足步行机器人的方法，其中所述两足步行机器人具有主体、可移动地连接至主体下部相对侧面的腿、以及驱动所述腿的致动器，所述两足步行机器人基于检测到的地面反作用力控制致动器以平衡机器人，所述方法包括为多个连至腿底部的传感器的各个位置给定X和Y坐标，每个传感器在所述各个位置中的一个位置处检测地面反作用力；基于在各个位置处所检测到的地面反作用力，为各个位置中的每一个位置给定Z坐标值；基于至少三个给定的XYZ坐标确定地面反作用力平面，并且计算垂直于地面反作用力平面的法向向量；基于多个传感器的位置确定XYZ坐标系；计算围绕XYZ坐标系的X轴的横摇角以及围绕XYZ坐标系的Y轴的纵摇角；以及对应横摇角和纵摇角驱动致动器，以使法向向量与重力方向上的参考向量对齐。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多个传感器中的每一个传感器包括薄膜型力传感器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为传感器给定坐标包括在每个腿的底部上排布多个传感器，其中一个传感器在矩形的一个角上；以及将矩形对角线的交点看作XYZ坐标系的原点。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为传感器给定坐标包括在每个腿的底部上排布多个传感器，其中一个传感器在矩形的一个角上；以及将矩形对角线的交点看作XYZ坐标系的原点。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算横摇角和纵摇角包括通过解方程θx=sin-1(qq2+r2)]]>计算横摇角；以及通过解方程θy=sin-1(pp2+r2)]]>计算纵摇角，其中p、q和r分别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.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算横摇角和纵摇角包括通过解方程θx=sin-1(qq2+r2)]]>计算横摇角；以及通过解方程θy=sin-1(pp2+r2)]]>计算纵摇角，其中p、q和r分别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。
7.一种控制两足步行机器人的方法，其中所述步行机器人具有主体、腿和足，所述方法包括为多个连至机器人的至少一个足底上的传感器的每个位置给定坐标系的第一和第二坐标，每个传感器分别在所述位置中的一个位置处检测地面反作用力；将在每个位置处所检测到的地面反作用力的值指定为各个位置的第三坐标；基于至少三组给定的第一、第二和第三坐标确定地面反作用力平面；基于第一、第二和第三坐标、坐标系以及所确定的地面反作用力平面，计算横摇角和纵摇角；以及基于所计算的横摇角和纵摇角与重力方向的参考向量之间的差，控制机器人的至少一条腿。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，坐标系的轴经过在成对传感器之间延伸的两条线的交点。
全文摘要
公开了一种控制两足步行机器人、以便基于检测到的地面反作用力平衡机器人的方法。在所述方法中，X和Y坐标被指定为连接至机器人腿底部的传感器的位置，并且基于在传感器处检测到的地面反作用力，将对应的Z坐标指定为传感器中的至少三个传感器。基于检测到的地面反作用力确定地面反作用力平面，并且计算垂直于地面反作用力平面的法向向量。计算围绕X轴的横摇角和围绕Y轴的纵摇角，并且对应横摇角和纵摇角驱动致动器，以移动机器人的一部分，从而使法向向量与重力方向上的参考向量对齐。
文档编号B62D57/032GK1575939SQ20041000784
公开日2005年2月9日 申请日期2004年3月3日 优先权日2003年7月8日
发明者李涌权, 郭朱泳, 孙荣, 吴渊宅, 卢庆植 申请人:三星电子株式会社