专利名称：腿式移动机器人的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种腿式移动机器人的控制方法，尤其涉及一种通过该机器人使某对象物移动的情况下的控制方法。
背景技术：
众所周知，作为由腿式移动机器人使对象物进行移动的作业的技术，可从例如由本申请的申请人申请并公开在特开平10-230485号公报(以下称专利文件1)中获知。
在该技术中，是以满足下述动力学的平衡条件的方式，来生成目标步态的，即，由机器人的运动产生的惯性力与作用于机器人上的重力及外力之间的合力在围绕目标ZMP(目标零力矩点)所产生的力矩的去除竖直成份后的成份(水平成份)为0(作用在目标零力矩点的地面反作用力与上述合力相平衡)。
在由所述专利文件1可知的技术中，例如，由于在开始进行推动对象物的作业之前，机器人从对象物受到的反作用力(外力)为0，因此，以由机器人运动产生的惯性力与重力之间的合力在围绕目标ZMP所产生的力矩的水平成份为0的方式来生成步态。而且，从开始进行推动对象物的作业时起，使得上述惯性力、重力和不为0的外力之间的合力在围绕目标ZMP所产生的力矩的水平分量为0地来生成步态。
由此，在开始进行推动对象物的作业时，外力的急剧变化将导致ZMP发生变化。这样，则很难在推动对象物之前和之后，一边使机器人的运动状态圆滑地变化，一边又将ZMP收在机器人的着地面(具体而言为支承多边形)的适当范围内，这将导致难以确保机器人的稳定性。在此，支承多边形是包括机器人的着地面在内的最小凸多边形。
因此，考虑到例如在开始进行推动对象物的作业时，作用于机器人(在此为双脚移动机器人)上的反作用力给ZMP带来的变化，故而在开始进行推动对象物的作业之前，使机器人做出前倾姿势，并使臂体的手前部(再通俗具体点是指为推动对象物而卡合于对象物上的部位)抵接于对象物，同时使两腿体前后分开地着地。而且，可以考虑从这一状态开始经臂体而对对象物施力。在这种情况下，由于使两腿体前后分开，致使在使对象物移动的方向上的支承多边形的长度变长，所以，即使因机器人对对象物施力，ZMP发生急变，也能使得该ZMP收在适当的范围，从而可以在保持机器人的稳定性的同时来推动对象物。
然而，在这种的情况下，在开始进行推动对象物的作业之前，必须进行如上所述那样调整机器人的身体姿势的特别的动作控制。这样，将无法迅速地开始进行推动对象物的作业。另外，在只使机器人的一条腿着地的情况下，也难以开始进行推动对象物的作业。
发明内容
本发明是鉴于上述的问题而完成的，目的在于提供一种这样的控制方法，即，用以在由机器人使对象物移动的情况下，能够防止ZMP在机器人移动的开始前和开始后发生较大的变化、且同时还能使机器人的运动圆滑地变化的方法。
为达到上述目的，本发明为腿式移动机器人的控制方法，作为第1发明的控制方法，是使具有从上体延设出的多条腿体的腿式移动机器人进行用于由该机器人驱使对象物移动的动作的控制方法，其特征在于，包括第1步骤，在使所述机器人与所述对象物相对向的状态下，使机器人不对该对象物施力，同时使该机器人的上体运动，以使该机器人的重心在朝向使该对象物移动的方向具有运动量；以及第2步骤，在使该重心具有运动量的状态下，使力从设置在机器人的上体上的规定的部位作用在所述对象物上，使该对象物开始移动。
根据该第1发明，在所述第1步骤，为了使机器人重心具有运动量(并行运动量)，而使机器人的上体进行加速度运动。在这种情况下，虽然因为重心的运动而产生惯性力，但由于使机器人不对该对象物施力(从机器人对对象物所作用的力为0或者几乎为0)，因此，机器人从对象物受到的反作用力也几乎为0。另外，在第1步骤中，只要在机器人从对象物几乎不受到反作用力的状态下使机器人的重心具有运动量即可，因此，没有必要那么增大上体的运动加速度乃至重心的运动加速度的大小。这样，在第1步骤中，可以将ZMP充分地收在包括机器人的着地面(腿体的着地面)在内的最小凸多边形也即支承多边形内。另外，在本说明书中，ZMP是表示三者合力在围绕一点所产生的力矩的水平分量为0时的地面上的这一点，而该三者合力是指根据机器人的运动(重心的运动)而产生的惯性力、作用于机器人上的重力、和机器人受到来自对象物的反作用力之间的合力。
在继该第1步骤后的所述第2步骤中，由于在机器人的重心具有运动量的状态下，使力从机器人的规定的部位作用在对象物上，因此，可以一边使在机器人的重心产生与机器人从对象物受到的反作用力正反向的惯性力(换句话说，一边通过反作用力使机器人重心的运动量减少)，一边使对象物开始移动。由此，在使机器人对对象物施力而使该对象物开始移动时，可以减小机器人受到来自对象物的反作用力和与之正反向的重心的惯性力之和(矢量和)。这样，可以避免ZMP脱离所述支承多边形、或者偏离到该支承多边形的边端的情况，并与第1步骤同样地可以将该ZMP充分地收在支承多边形内。
因此，根据本发明，在使对象物移动时，不是将机器人控制在这样的特别姿势，即由该特别姿势而导致在其移动方向上作为ZMP可存在范围的支承多边形被扩大了的姿势，而是使得ZMP处于对象物移动的开始前(第1步骤)与移动开始后(第2步骤)之间，从而可以抑制ZMP发生急剧的变化，并同时可以使机器人的运动圆滑地变化。
所述第1发明虽然使用了机器人的重心的并行运动的运动量，但也可以使用角动量。即，本发明的脚式移动机器人的控制方法的第2发明，是使具有从上体延设出的多条腿体的腿式移动机器人进行用于由该机器人驱使对象物移动的动作的控制方法，其特征在于，包括第1步骤，在使所述机器人与所述对象物相对向的状态下，使机器人不对该对象物施力，同时使该机器人的上体运动，以使机器人的上体在朝向使该对象物移动的方向具有围绕该机器人重心的角动量；以及第2步骤，在使该上体具有角动量的状态下，使力从设置在机器人的上体上的规定的部位作用在所述对象物上，使该对象物开始移动。
根据该第2发明，在所述第1步骤，为了使所述上体具有围绕机器人重心的角动量，而使机器人的上体进行姿势变化运动(伴随角加速度的上体倾斜运动)。此时，虽然因为机器人上体的姿势变化运动而产生惯性力，但由于与所述第1发明同样地机器人不对对象物施力，因此，机器人从对象物受到的反作用力也为0或者几乎为0。另外，在第1步骤中，由于在机器人从对象物几乎不受到反作用力的状态下而使机器人的上体具有角动量即可，因此，没有必要那么增大上体的角加速度。这样，在第1步骤中，与第1发明同样地可以将ZMP充分地收在所述支承多边形内。
而且，在继该第1步骤后的所述第2步骤中，由于在机器人的上体具有角动量的状态下，使力从机器人的规定的部位作用在对象物上，因此，可以一边通过机器人从对象物受到的反作用力而使机器人的上体的围绕重心的角动量减少，一边使该对象物开始移动。由此，在使机器人对对象物施力而使该对象物开始移动时，通过机器人受到来自对象物的反作用力，可以减小在机器人的围绕重心产生的力矩与伴随与之正反向的上体的角加速度(角速度的减速)的惯性力(力矩)之和(矢量和)。这样，可以避免ZMP脱离所述支承多边形、或者偏离到该支承多边形的边端的情况，并与第1步骤的情况同样地可以将该ZMP充分地收在支承多边形内。
因此，根据第2发明，与第1实施方式同样，在使对象物移动时，不是将机器人控制在这样的特别姿势，即由该特别姿势而导致在其移动方向上作为ZMP可存在范围的支承多边形被扩大了的姿势，而是使得ZMP处于对象物移动的开始前(第1步骤)与移动开始后(第2步骤)之间，从而可以抑制ZMP发生急剧的变化，并同时可以使机器人的运动圆滑地变化。
另外，也可以对第1发明与第2发明进行合并，并用机器人的重心的并行运动的运动量与上体的角动量这两者。即，本发明的脚式移动机器人的控制方法的第3发明，是使具有从上体延设出的多条腿体的腿式移动机器人进行用于由该机器人驱使对象物移动的动作的控制方法，其特征在于，包括第1步骤，在使所述机器人与所述对象物相对向的状态下，使机器人不对该对象物施力，同时使该机器人的上体运动，以使机器人的重心在朝向使该对象物移动的方向具有运动量、并且使该机器人的上体在使该对象物移动的方向具有角动量；以及第2步骤，在使该机器人的重心及上体分别具有所述运动量及角动量的状态下，使力从设置在机器人的上体上的规定的部位作用在所述对象物上，使该对象物开始移动。
根据该第3发明，虽然在所述第1步骤，进行机器人重心的加速度运动(并行加速度运动)和上体的角加速度运动，但这些运动是在机器人从对象物几乎不受到反作用力的状态下进行的。由此，与第1发明及第2发明同样地，在第1步骤中，可以将ZMP充分地收在包括机器人的着地面(腿体的着地面)在内的最小凸多边形也即支承多边形内。
另外，在继该第1步骤后的所述第2步骤，由于在机器人的重心具有并行运动量、且上体具有角动量的状态下，使力从机器人的规定的部位作用在对象物上，因此，与所述第1发明及第2发明同样地，在使机器人对对象物施力而使该对象物开始移动时，可以避免ZMP脱离所述支承多边形、或者偏离到该支承多边形的边端的情况，并与第1步骤的情况同样地可以将ZMP充分地收在支承多边形内。
因此，与所述第1发明及第2发明同样地，在使对象物移动时，不是将机器人控制在这样的特别姿势，即由该特别姿势而导致在其移动方向上作为ZMP可存在范围的支承多边形被扩大了的姿势，而是使得ZMP处于对象物移动的开始前(第1步骤)与移动开始后(第2步骤)之间，从而可以抑制ZMP发生急剧的变化的情况，并同时可以使机器人的运动圆滑地变化。
在所述第1发明～第3发明中优选是，当所述规定的部位是从所述上体延设出的臂体，而且同时在该臂体上设置有至少一个以上的可改变其前端部与上体间距离的关节时，在所述第1步骤之前，还具有使所述臂体的至少前端部与所述对象物接触的步骤；在使该臂体的至少前端部与所述对象物接触的状态下，使所述关节进行动作，同时执行所述第1步骤中的所述上体的运动(第4发明)。
根据该第4发明，在所述第1步骤中，通过在使机器人的臂体的前端部接触于对象物的状态下而使该臂体的关节进行动作，以使机器人不对该对象物施力的方式来进行机器人的上体的运动，从而可以使机器人的重心具有并行运动量，或者使上体具有角动量。具体而言，在为了使对象物移动而使机器人的上体接近对象物时(例如欲推对象物而使之移动时)，只要使该臂体的关节进行动作，以缩短该上体与臂体的前端部间的距离即可。另外，为了移动对象物而使机器人的上体远离对象物时(例如欲牵引对象物而使之移动时，或者欲提起对象物时)，只要使该臂体的关节进行动作，以拉长该上体与臂体的前端部间的距离即可。而且，由于在使臂体的前端部接触于对象物的状态下直接转移到所述第2步骤，使该臂体对对象物施力，因此，可以圆滑地进行从第1步骤到第2步骤的转移。
在该第4发明中，使所述臂体的至少前端部与所述对象物接触的步骤优选是在所述机器人的移动停止状态下来执行(第5发明)。由此，可以圆滑地进行由使臂体对象物的接触于对象物的动作、和与之连续的第1步骤、第2步骤构成的一系列的动作。
另外，所述第1～第5发明最适合于所述腿体为两条的情况、即、腿式移动机器人为双脚移动机器人的情况(第6发明)。
作为补充，在本发明中，对象物的移动并不仅仅限于使对象物在地面上移动的情况，也包括将对象物从地面上提起之类的移动。
图1是表示作为本发明的第一实施方式中的腿式移动机器人的双脚移动机器人的侧视图；图2(a)～(e)是表示第一实施方式中的对象物和机器人间的位置关系在时序上的侧视图；图3(a)～(e)是表示分别与图2(a)～(e)相对应的第一实施方式中的机器人1的重心及ZMP的水平面位置在时序上的示意图；图4(a)～(f)是表示第二实施方式中的对象物和机器人间的位置关系在时序上的侧视图；图3(a)～(f)是表示分别与图2(a)～(f)相对应的第二实施方式中的机器人1的重心及ZMP的水平面位置在时序上的示意图。
具体实施例方式
下面，参照图1至图3说明本发明的第一实施方式。
图1是表示本实施方式的腿式移动机器人的大致结构的侧视图。该机器人1为双脚行走机器人，其具有从上体(基体)2向下方延设出的两条腿体3、3；从上体2的左右(垂直于纸面的方向)的两侧部延设出的两条臂体4、4；以及由上体2的上端部支承的头部5。另外，由于图1为侧视图，故而关于腿体3和臂体4，只图示出了机器人1朝向前方时其右侧的部分(左侧的腿体及臂体在图示上分别重合于右侧的腿体3及臂体4)。
各腿体3经胯关节3a连结于上体2，并在该腿体3的前端部的脚面部6与胯关节3a之间具有膝关节3b及脚脖子关节3c。这些胯关节3a、膝关节3b及脚脖子关节3c可以进行围绕1轴或多个轴转动的动作。例如，胯关节3a可以进行围绕3轴转动的动作，膝关节3b可以进行围绕1轴转动的动作，脚脖子关节3c可以进行围绕2轴转动的动作。在这种情况下，各腿体3的脚面部6相对于上体2可以进行6自由度的运动。
各臂体4经肩关节4a连结于上体2，并在该臂体4的前端部的手前部7与肩关节4a之间具有肘关节4b及手腕关节4c。这些肩关节4a、肘关节4b及手腕关节4c可以进行围绕1轴或多个轴转动的动作。例如，肩关节4a可以进行围绕3轴转动的动作，肘关节4b可以进行围绕1轴转动的动作，手腕关节4c可以进行围绕3轴转动的动作。在这种情况下，各臂体4的手前部7相对于上体2可以进行7自由度的运动。而且，各臂体4通过其关节4a、4b、4c的动作，可以改变作为该臂体4的前端部的手前部7与上体2间的距离。另外，臂体4、4相当于本发明中的规定的部位。
作为补充，腿体3及臂体4的自由度、以及关节个数或各关节的转动轴个数不一定非得按上述那样设定不可，只要根据欲使机器人1进行运动的形态，来进行适当地设定即可。例如，臂体4也可以只具有一个可改变其手前部7(前端部)与上体2间的距离的关节。
各腿体3及各臂体4的各关节具有电机等的关节执行机构(图示略)，通过驱动其关节执行机构，进行各腿体3及各臂体4的所希望的运动。而且，在上体2上搭载有含有微型电脑等的控制单元10，通过该控制单元10，来控制各关节执行机构的动作乃至各腿体3及各臂体4的运动。
下面，参照图2及图3，说明在下述情况下的该机器人1的动作控制，即，通过本实施方式的机器人1来进行使某对象物移动的作业例如推对象物而使之移动的作业的情况。图2(a)～(e)是表示对象物A(图中例示为推车)和机器人1间的位置关系在时序上的侧视图；图3(a)～(e)是表示分别与图2(a)～(e)相对应的机器人1的重心及ZMP的水平面位置在时序上的示意图。另外，图3(a)～(e)中用X号表示ZMP。
首先，如图2(a)所示，使机器人1与对象物A相对向(使机器人1处于对象物A位于机器人1正前方的位置)，并使两臂体4、4的手前部7、7抵接于对象物A。在这种情况下，使两臂体4、4的手前部7、7以不对对象物A施以推力的方式(使得机器人1作用于对象物A上的力几乎为0)来抵接(接触)对象物A。另外，在该例中，机器人的1的两腿体2、2以左右并列的状态持续地着地，机器人1处于停止移动中。另外，在本实施方式所说明的例子中，虽然是使机器人的1的两腿体2、2左右并列，但也可以使两脚面部6、6的着地位置前后错开。
在该图2(a)的状态下，机器人1的重心G几乎处于静止，从侧面看，是位于脚面部6的上方。在该状态下，机器人1的ZMP如图3(a)所示，是处于包括机器人1的着地面(两脚面部6、6的着地面)在内的最小凸多边形也即支承多边形S的大致中央部，并是位于重心G的竖直下方的位置。换句话说，在图2(a)的状态下，ZMP位于图3(a)所示的位置，并且以臂体4、4的手前部7、7如上所述那样接触于对象物A的方式来进行机器人1的姿势控制。在此，机器人1的ZMP为地面上的一点，该点是三者合力围绕该点所产生的力矩的水平分量为0时的地面上的点，而该三者合力是指根据如前所述机器人1的运动(重心G的运动)而产生的惯性力、作用于机器人1上的重力、和机器人1受到来自对象物A的反作用力(以下称作对象物反作用力)之间的合力。在图2(a)的状态下，由于惯性力与对象物反作用力几乎为0，故而重心G的竖直下方的地面上的点为ZMP。
接着，如图2(b)所示，以在使两脚面部6、6着地的状态下使上体2朝向前方加速(使上体2在加速中接近对象物A)的方式，使两腿体3、3动作(进行各关节3a～3c的执行机构的动作控制)。但此时，以使两臂体4、4不对对象物A施以推力(使得机器人1作用于对象物A上的力几乎为0)的方式而使两臂体4、4进行动作(进行各关节4a～4c的执行机构的动作控制)。即，通过上体2朝向前方的加速，以该上体2接近对象物A的移动量使两臂体4、4动作，以使两臂体4、4的手前部7、7接近上体2。该图2(b)中的机器人1的动作相当于第1发明中的第1步骤的动作。
在该图2(b)的动作状态下，通过上体2朝向前方的加速，机器人1的重心G向前方加速，因此，如图3(b)中的箭头Y1所示，朝向机器人1的后方产生该重心G的惯性力(重心G的并行运动的惯性力)。另外，机器人1所受到的对象物反作用力几乎为0。由此，如图3(b)所示，ZMP移动到包括机器人1的着地面(两脚面部6、6的着地面)在内的支承多边形S的后方一侧。另外，机器人1的上体2朝向前方的加速(乃至重心G朝向前方的加速)是以ZMP被收在支承多边形S内且不发生急剧变化的方式来进行的。
之后，如图2(c)所示，开始进行使两臂体4、4的手前部7、7伸出的动作(使手前部7、7远离上体2的动作)，使得机器人1对对象物A作用朝向前方的力，同时使机器人1的上体2朝向前方的运动速度减速。据此，开始进行朝向机器人1的前方推动对象物A的作业。该图2(c)中的动作相当于本发明中的第2步骤的动作。
在该图2(c)的动作之前，由于机器人1的重心G朝向前方运动(并行运动)，故而在图2(c)的状态下，机器人1的重心G的运动量呈现减少，同时对象物A的运动量呈现增加，使得该对象物A朝向机器人1的前方开始移动。即，机器人1的重心G的运动量的一部分或者全部转换成对象物A的运动量。因此，在图2(c)的状态下，如图3(c)中箭头Y2所示，朝向机器人1的前方产生机器人1的重心G的惯性力。另外，重心G受到机器人1作用予对象物A的力F的反作用力，也即受到来自对象物A所作用的对象物反作用力F′(＝-F)。由此，ZMP不会偏过到包括机器人1的着地面(两脚面部6、6的着地面)在内的支承多边形S的边端，而是处于支承多边形S的中央附近。
然后，如图2(d)所示，对象物A自己行走离开机器人1。在本实施方式所说明的例子中，在该图2(d)的状态以后，机器人1被控制在其重心G从侧面看时移动到支承多边形S的大致中央部、而最终处于如图2(e)所示的机器人1的姿势状态。在这种情况下，例如图3(d)、(e)所示，是以ZMP位于支承多边形S的大致中央部位置的方式，来进行机器人1的腿体3及臂体4的动作控制的。另外，在图3(d)、(e)所示的例示中，由于分别在图2(d)、(e)的动作状态下，重心G的加速度运动(上体2的加速度运动)没有进行(不产生重心G的惯性力)，故而ZMP处于重心G的竖直正下方。在图2(d)的状态以后，由于对机器人1没有作用包括对象物反作用力在内的外力(地面反作用力除外)，因此，可以无妨碍地如上所述那样将ZMP大致维持在支承多边形S的大致中央部。
通过以上说明的机器人1的动作(推对象物A使之移动的动作)，可以将ZMP的变化抑制在比较小的范围内，并可以充分地将该ZMP收在支承多边形内。因此，没有必要在开始推对象物A之前而有意识地使两腿体2、2的脚面部6、6前后分开着地，从而可以由机器人1迅速且圆滑地开始进行对象物A的移动作业。
下面，说明本发明的第二实施方式。另外，在本实施方式中，由于机器人的构成与所述第一实施方式的构成相同，故而使用与第一实施方式相同的参照符号，并省略其说明。
本实施方式与第一实施方式的不同仅仅在于在下述情况下的该机器人1的动作控制，即，通过机器人1来进行推对象物A而使之移动的作业的情况。下面，关于其动作控制，参照图4及图5进行说明。图4(a)～(f)是表示对象物A(图中例示为推车)和机器人1间的位置关系在时序上的侧视图；图5(a)～(f)是表示分别与图4(a)～(f)相对应的机器人1的重心及ZMP的水平面位置在时序上的示意图。另外，图5(a)～(f)中用X号表示ZMP。
首先，如图4(a)所示，使机器人1与对象物A相对向(使机器人1处于对象物A位于机器人1正前方的位置)，并使两臂体4、4的手前部7、7抵接于对象物A。在这种情况下，使两臂体4、4的手前部7、7以不对对象物A施以推力的方式(使得机器人1作用于对象物A上的力几乎为0)来抵接(接触)对象物A。另外，在该例中，机器人1的两腿体2、2以左右并列的状态持续地着地，机器人1处于停止移动中。另外，在本实施方式所说明的例子中，虽然是使机器人1的两腿体2、2左右并列，但也可以使两脚面部6、6的着地位置前后错开。
该图4(a)的状态与所述第一实施方式中的图2(a)的状态相同。即，机器人1的重心G几乎处于静止，从侧面看，是位于脚面部6的上方。而且，在该状态下，与第一实施方式同样地，机器人1的ZMP如图5(a)所示，是处于包括机器人1的着地面(两脚面部6、6的着地面)在内的支承多边形S的大致中央部，并是位于重心G的竖直下方的位置。
接着，如图4(b)所示，以在使两脚面部6、6着地的状态下使机器人1的腰部(胯关节3a附近的部位)稍微朝向前方突出，同时以使上体2的姿势向后倾侧倾斜的方式来进行两腿体3、3的各自的各个关节3a～3c的执行机构的动作控制。在这种情况下，机器人1的腰部的突出动作和上体2的后倾动作是相对较慢地来进行的，以使得由这些动作所产生的惯性力能达到足够的小，而且同时又是使得机器人1的重心G从图4(a)的状态起在前后方向上不发生较大变动地来进行的。另外，此时，通过各臂体4的关节4a～4c的执行机构的动作控制，两臂体4、4被维持在在机器人1的各臂体4的手前部7、7与对象物A间的作用力几乎为0的状态下、该手前部7接触于对象物A的状态。
由于如上所述地进行该图4(b)的动作，因此，该动作时的ZMP如图5(b)所示，被维持在支承多边形S的大致中央部且位于机器人1的重心G的大致竖直正下方的位置。另外，在上述的例子中，虽然图4(b)的动作是较慢地来进行的，但是，也可以在ZMP被收在支承多边形S的大致中央附近的范围内，使机器人1的上体2产生角加速度，或者使重心G产生加速度(并行加速度)。
之后，如图4(c)所示，以在使两脚面部6、6着地的状态下使机器人1的上体2向前倾侧(上体2朝对象物A接近的方向，图4(c)中箭头Y3的指向)加速同时倾斜的方式，使两腿体3、3动作(进行各关节3a～3c的执行机构的动作控制)。据此，使得上体2具有了机器人1的围绕重心G的角动量(使角动量增加)。但此时，以使两臂体4、4不对对象物A施以推力(使得机器人1作用于对象物A上的力几乎为0)的方式，进行各关节4a～4c的执行机构的动作控制。即，通过上体2的前倾动作，以该上体2接近对象物A的移动量使两臂体4、4动作，以使两臂体4、4的手前部7、7接近上体2。另外，此时，虽然也可以使机器人1的重心G不发生变动，但是，在图示的例子中，在朝向前方(朝向对象物A)时，多少有些加速。
在该图4(c)的动作状态下，通过上体2的前倾(增加朝向前倾方向的角动量)，绕重心G产生与之正反向的惯性力(力矩。参照图5(c)中的虚线箭头Y4)。另外，图5(c)中的虚线箭头表示伴随上体2的姿势倾斜运动而产生的惯性力(力矩)。在这种情况下，在虚线箭头的指向为前朝向时，该惯性力的朝向为上体2的前倾方向的朝向，而在虚线箭头的指向为后朝向时，该惯性力的朝向为上体2的后倾方向的朝向。
另外，在本实施方式的例子中，如上所述的机器人1的重心G还向前方有稍许加速，因此，如图5(c)中的箭头Y5所示，朝向机器人1的后方产生该重心G的惯性力。另外，机器人1所受到的对象物反作用力几乎为0。由此，如图5(c)所示，ZMP移动到支承多边形S的后方一侧。另外，机器人1的上体2的前倾动作是以ZMP被收在支承多边形S内且不发生急剧变化的方式来进行的。
如上所述，通过图4(c)的动作，机器人1的上体2绕重心G具有角动量(前倾方向的角动量)，而且同时重心G还具有朝向前方的运动量(并行运动量)。另外，该图4(c)中的动作相当于前述第2发明或者第3发明中的第1步骤的动作。
然后，如图4(d)所示，开始进行使两臂体4、4的手前部7、7伸出的动作(使手前部7、7远离上体2的动作)，使得机器人1对对象物A作用朝向前方的力F，同时使机器人1的上体2朝向前倾侧的角动量减少(降低上体2的倾斜速度)。此时，也使机器人1的重心G朝向前方的运动速度减速。据此，开始进行朝向机器人1的前方推动对象物A的作业。该图4(d)中的动作相当于前述第2发明或者第3发明中的第2步骤的动作。
在该图4(d)的动作之前，机器人1的上体2接近对象物A地进行前倾运动(具有绕重心G的角动量)。另外，在此例子中，机器人1的重心G还朝向前方进行并行运动。由此，在图4(d)的状态下，机器人1的上体2的角动量呈现减少，并且机器人1的重心G的运动量呈现减少，同时对象物A的运动量呈现增加，使得该对象物A朝向机器人1的前方开始移动。即，机器人1的上体2的角动量和重心G的运动量的一部分转换成对象物A的运动量。因此，在图4(d)的状态下，在机器人1的上体2上，如图5(d)中虚线箭头Y6所示，在前倾方向产生惯性力(力矩)，另外，机器人1的重心G如图5(d)中箭头Y7所示，向机器人1的前方产生惯性力(并行惯性力)。而且，重心G受到机器人1作用于对象物A的力F的反作用力，也即受到来自对象物A所作用的对象物反作用力F′(＝-F)。由此，如图5(d)所示，ZMP不会偏过到包括机器人1的着地面(两脚面部6、6的着地面)在内的支承多边形S的边端，而是处于支承多边形S的中央附近。
而后，如图4(e)所示，对象物A自己行走离开机器人1。在本实施方式所说明的例子中，在该图4(e)的状态以后，机器人1被控制在其上体2的姿势如图4(e)、(f)所示被恢复到竖直姿势，而且同时重心G从侧面看移动到支承多边形S的大致中央部，而最终如图4(f)所示的机器人1的姿势状态。在这种情况下，进行机器人1的腿体3及臂体4的动作控制，以使ZMP位于例如图5(e)、(f)所示的支承多边形S的大致中央部位置。另外，在图5(e)、(f)的例示中，较慢地进行上体2的姿势向竖直姿势的还原和重心G的移动(由此几乎不产生惯性力)，故而ZMP处于重心G的竖直正下方。在图4(e)的状态以后，由于对机器人1没有作用包括对象物反作用力在内的外力(地面反作用力除外)，因此，可以无妨碍地如上所述那样将ZMP大致维持在支承多边形S的大致中央部。
在第二实施方式中，通过以上说明的机器人1的动作(推对象物A使之移动的动作)，利用开始推对象物A之前的上体2的角动量和重心G的运动量(并行运动量)，而可以将ZMP的变化抑制在比较小的范围内，并同时可以充分地将该ZMP收在支承多边形内。因此，与第一实施方式同样，没有必要在开始推对象物A之前而有意识地使两腿体2、2的脚面部6、6前后分开着地，从而可以由机器人1迅速且圆滑地开始进行对象物A的移动作业。
另外，在所述第二实施方式中，在开始移动对象物A之前而使上体2产生角动量时，虽然也使机器人1的重心G产生了运动量(并行运动量)，但是，也可以使得重心G不发生变动，而同时使上体2产生角动量。
另外，在以上所说明的各实施方式中，虽然是以在使两腿体2、2的脚面部6、6于左右方向并列着地的状态下使对象物A移动的情况为例进行了说明，但是，也可以在只使一条腿体2的脚面部6着地的状态下来进行对象物A的移动。
另外，在所述各实施方式中，虽然在推对象物A而使之移动之前，使臂体4、4的手前部7、7抵接于对象物A，但是，也可以使机器人1的重心G具有运动量、或者使上体2具有角动量地一边使上体3运动，一边使臂体4、4的手前部7、7抵接于对象物A。
另外，在所述实施方式中，虽然以推对象物A而使之移动的情况为例进行了说明，但是本发明也可以适用于牵引对象物A而使之移动的情况。在这种情况下，在对对象物A施以牵引力之前，只要使机器人1的重心G具有朝向后方侧的运动量，或者使机器人1的上体2具有朝向后倾侧的角动量地，使上体2向后方侧或后倾侧加速，之后，使机器人1对对象物A施以牵引力即可。
此外，本发明也适用于通过机器人1来提起对象物的情况。在这种情况下，例如，使机器人1的上体2前倾，用臂体4、4的手前部7、7来把持住对象物，在该状态下并不对对象物施以将其提起的方向的力，同时使机器人1的上体2的姿势加速恢复到竖直姿势地抬起。据此，使机器人1的上体2产生后倾方向的角动量。而且，只要是在如此地使机器人1的上体2产生角动量的状态下，使臂体4、4对对象物施以提起方向的力，利用该角动量而将该对象物提起即可。
产业上的利用可能性综上所述，本发明在通过双脚移动机器人等的腿式移动机器人来进行下述作业时，在对象物移动的开始前和开始后，能够容易地确保机器人的姿势的稳定性，所述作业是指推动各种对象物而使之移动、或对之牵引而使之移动、或将之提起等的作业。
权利要求
1.一种腿式移动机器人的控制方法，是使具有从上体延设出的多条腿体的腿式移动机器人进行用于由该机器人驱使对象物移动的动作的控制方法，其特征在于，包括第1步骤，在使所述机器人与所述对象物相对向的状态下，使机器人不对该对象物施力，同时使该机器人的上体运动，以使该机器人的重心在朝向使该对象物移动的方向具有运动量；以及第2步骤，在使该重心具有运动量的状态下，使力从设置在机器人的上体上的规定的部位作用在所述对象物上，使该对象物开始移动。
2.一种腿式移动机器人的控制方法，是使具有从上体延设出的多条腿体的腿式移动机器人进行用于由该机器人驱使对象物移动的动作的控制方法，其特征在于，包括第1步骤，在使所述机器人与所述对象物相对向的状态下，使机器人不对该对象物施力，同时使该机器人的上体运动，以使机器人的上体在朝向使该对象物移动的方向具有围绕该机器人重心的角动量；以及第2步骤，在使该上体具有角动量的状态下，使力从设置在机器人的上体上的规定的部位作用在所述对象物上，使该对象物开始移动。
3.一种腿式移动机器人的控制方法，是使具有从上体延设出的多条腿体的腿式移动机器人进行用于由该机器人驱使对象物移动的动作的控制方法，其特征在于，包括第1步骤，在使所述机器人与所述对象物相对向的状态下，使机器人不对该对象物施力，同时使该机器人的上体运动，以使机器人的重心在朝向使该对象物移动的方向具有运动量、并且使该机器人的上体在使该对象物移动的方向具有角动量；以及第2步骤，在使该机器人的重心及上体分别具有所述运动量及角动量的状态下，使力从设置在机器人的上体上的规定的部位作用在所述对象物上，使该对象物开始移动。
4.根据权利要求第1～第3项中的任何一项所述的腿式移动机器人的控制方法，其特征在于，所述规定的部位是从所述上体延设出的臂体，而且同时在该臂体上设置有至少一个以上的可改变其前端部与上体间距离的关节；在所述第1步骤之前具有使所述臂体的至少前端部与所述对象物接触的步骤；在使该臂体的至少前端部与所述对象物接触的状态下，使所述关节进行动作，同时执行所述第1步骤中的所述上体的运动。
5.根据权利要求第4项所述的腿式移动机器人的控制方法，其特征在于，使所述臂体的至少前端部与所述对象物接触的步骤，是在所述机器人的移动停止状态下来执行的。
6.根据权利要求第1～第3项中的任何一项所述的腿式移动机器人的控制方法，其特征在于，所述腿体为两条。
全文摘要
一种腿式移动机器人的控制方法，包括在使机器人(1)与对象物(A)相对向的状态下，使机器人不对对象物(A)施力，而同时使机器人(1)的上体(2)运动，以使该机器人的重心(G)在朝向使对象物(A)移动的方向具有运动量，或者上体(2)具有角动量的第1步骤；以及在使重心(G)具有运动量或者使上体(2)具有角动量的状态下，使设置在机器人(1)的上体(2)上的臂体(5)的手前部(7)对对象物(A)施力，以使对象物(A)开始移动的第2步骤。据此，在通过机器人使对象物移动时，可以防止ZMP在机器人移动的开始前和开始后发生较大变化，而且同时还可以使机器人的运动圆滑地变化。
文档编号B25J13/08GK1968789SQ20058001928
公开日2007年5月23日 申请日期2005年7月28日 优先权日2004年8月2日
发明者长谷川忠明, 小川直秀 申请人:本田技研工业株式会社