双脚行走机器人以及双脚行走机器人的着地时机确定方法技术

提供一种确定双脚行走机器人的脚的着地位置和着地时机的方法。该方法使用预先给定的着地时机来解ZMP方程式，该ZMP方程式表示包含只用第一脚站立的第一单腿接地期间和在第一单腿接地期间之后只用第二脚站立的第二单腿接地期间的重心轨迹。由此算出表示第二单腿接地期间内的ZMP位置的第二脚ZMP位置。当算出的第二脚ZMP位置脱离了与第二脚的可着地区域相对应地规定的第二脚ZMP允许区域时，修正着地时机，以使第二脚ZMP位置落入第二脚ZMP允许区域内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及双脚行走机器人。
技术介绍
双脚行走机器人(Biped Walking Robot)在重复用单脚站立的单腿接地期间和用双脚站立的双腿接地期间的状态下行走。在单腿接地期间，双脚行走机器人容易摔倒。双脚行走机器人如果不恰当地决定脚着地位置和着地时机就会摔倒。以下，在本说明书中，将 “不摔倒而行走”记为“稳定地行走”。此外，为了简便，以下将双脚行走机器人简称为“机器人”。 ZMP方程式常用来确定用于稳定行走的脚的着地位置。如在双脚行走机器人的
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压力中心。ZMP方程式相当于机器人重心的运动方程式。在ZMP方程式中，机器人重心的加速度被表示为ZMP的函数。若在预定条件下解ZMP方程式，可算出能够将重心位置(和/或速度)维持在预定范围内的ZMP位置的时间序列(ZMP轨迹)。将重心位置(和/或速度)维持在预定范围内即表示稳定地行走。另一方面，由于ZMP是地面反作用力的压力中心，因此实际的ZMP必定存在于脚接地区域内(准确来说，ZMP存在于由接地脚形成的支撑多边形内)。S卩，实际的ZMP由脚的着地位置和着地时机决定。以实现所算出的ZMP轨迹的方式决定的脚的着地位置和着地时机原则上保证稳定行走。但是，外扰、计算误差、或地面的凹凸不平可能会损害稳定行走，因此应注意到由ZMP方程式得到的脚的着地位置和着地时机并不是严格保证稳定行走的。在口本专利公开公报特开平05-337849号(专利文献I)和口本专利公开公报 2004-167676号公报(专利文献2)中，公开了基于ZMP方程式确定着地位置的方法的例子。 尤其在专利文献2中公开了将始端和终端的重心速度作为边界条件解ZMP方程式的方法。
技术实现思路
以往，在预先规定着地时机后通过解ZMP方程式来计算着地位置。着地时机表示行走速度，因此预先规定行走速度就相当于规定着地时机。通常是在以恒定速度行走的这一条件下计算着地位置的。具体来说，将要关注的区间的始端和终端处的重心位置和/或速度作为边界条件给定，并给定着地时机(行走速度)来计算满足ZMP方程式的ZMP位置。 实现稳定行走的着地位置以使算出的ZMP位置存在于脚和地面接触的地面内的方式被规定。着地时机、即行走速度被预先调节以不超过脚动作速度、关节旋转速度等机构性限制。如果能够灵活改变着地时机，行走的稳定性就会增加。例如，在由于外扰等而重心速度(向前的速度)增大了的情况下，如果不向前偏移脚着地位置而是提前着地时机，能够避免摔倒的可能性就会变高。或者在为了避开预想不到的障碍物而实时改变着地位置的情况下，通过不仅改变着地位置还改变着地时机，可增加行走稳定性。但是，据专利技术人所知，目前还没有确立在决定着地位置之后在保证行走稳定性的限制下调整着地时机的技术。本说 明书提供恰当地求出双脚行走机器人的着地位置和着地时机的技术。本说明书公开的技术之一是提供一种确定双脚行走机器人的脚的着地位置和着 地时机的方法。该方法包括ZMP计算步骤和着地位置确定步骤。ZMP计算步骤给定预先规 定的着地时机(预定着地时机)来解ZMP方程式，算出下一个单腿接地期间内的第二脚ZMP 位置。更详细来说，在该步骤中，给定重心轨迹的边界条件和第二脚的着地时机来解ZMP方 程式，从而算出第二脚ZMP位置。边界条件是包含双脚行走机器人只用第一脚站立的第一 单腿接地期间和在第一单腿接地期间之后只用第二脚站立的第二单腿接地期间的重心轨 迹的始端和终端的边界条件。边界条件具体例如是始端的重心位置和速度、以及终端的重 心速度。始端可选择当前时刻。即，始端的重心位置和速度可以是通过传感器测得的当前 时刻的重心位置和速度。在此情况下，第一单腿接地期间相当于当前的单腿接地期间。着 地位置确定步骤确定第二脚的着地位置，以使算出的第二脚ZMP位置被包含在第二脚和地 面的接触区域内。“第一脚”相当于双脚行走机器人的一只脚，“第二脚”相当于另一只脚。 此外，“第一脚”典型的相当于当前的单腿接地期间内的站立腿，“第二脚”相当于当前的单 腿接地期间的摆动腿。此外，“第二脚”相当于下一个单腿接地期间内的站立腿。ZMP计算步骤还在所算出的第二脚ZMP位置脱离了与第二脚的可着地区域相对应 地规定的第二脚ZMP允许区域时，修正着地时机，以使第二脚ZMP位置落入第二脚ZMP允许 区域内。给定重心轨迹的始端和终端的边界条件来解ZMP方程式的技术基础如上所述例 如已记载在专利文献2中，因此拿来做参考。可着地区域如果是平坦地面，则可基于脚的可 动范围来规定。当地面上存在障碍物时，可着地区域被设定为脚的可动范围中障碍物以外 的区域。上述的方法典型地确定下一步的着地位置和着地时机。在着地时机下基于ZMP方 程式算出的第二脚ZMP位置脱离了第二脚ZMP允许区域的情况相当于无法确定确保行走稳 定性的下一个着地位置的情况。在这种情况下，即在着地时机无法在可着地区域内确定着 地位置的情况下,上述的方法调整着地时机。例如，当在着地时机无法抑制终端的重心速度 时，通过提前着地时机来修正行走计划以便比重心向前移动更早地向前落脚，从而能够抑 制重心速度。在上述的方法中，当在着地时机下算出的第二脚ZMP位置在所设定的第二脚ZMP 允许区域内时，直接采用着地时机。即，上述的方法判断在着地时机能否达到稳定行走，在 判断为不能达到时修正着地时机。在该方法中，使用被变形为具有第一脚ZMP位置和第二脚ZMP位置作为变量的ZMP 方程式。第一脚ZMP位置表示第一单腿接地期间内的ZMP位置。ZMP方程式是重心轨迹的 运动方程式，原本是使用ZMP位置的函数来表示重心加速度的。通过使用将ZMP位置作为 变量的数学表达式表示重心位置并对该数学表达式进行积分，ZMP方程式被变换成ZMP的 初始位置和终端位置(即第一脚ZMP位置和第二脚ZMP位置)的函数。该方程式将在实施 例中进行详细说明。本说明书公开的方法的ZMP计算步骤更详细来说包括使用了上述ZMP 方程式的下面的第一子步骤和第二子步骤。在第一子步骤中，在所述的边界条件和预先规定的初始约束条件下计算满足ZMP方程式的第一脚ZMP位置和第二脚ZMP位置。在第二子步骤中，当算出的第二脚ZMP位置脱离了第二脚ZMP允许区域时，修正着地时机，以使ZMP方程式在将修正第二脚ZMP位置约束在第二脚ZMP允许区域内的第二脚ZMP约束条件下成立。变换后的ZMP方程式具有第一脚ZMP位置的X坐标和y坐标、第二脚ZMP位置的 X坐标和I坐标这四个未知数(变量)。另一方面，ZMP方程式是有关X坐标的等式和有关 y坐标的等式的联立方程式。从而需要两个约束条件来求出四个变量的解。该约束条件相当于初始约束条件。初始约束条件例如可以是指定第一脚ZMP位置的条件。第一脚相当于当前站立腿，因此初始约束条件可以是将第一脚ZMP位置规定在当前站立腿的脚接地面内的条件。所述的第二脚ZMP约束条件优选将第二脚ZMP位置约束在第二脚ZMP允许区域的外围边界。第二脚ZMP允许区域的边界相当于确保行走稳定性的ZMP位置的界限。S卩，将第二脚ZMP位置约束在第二脚ZMP允许区域的边界相当于将第二脚ZMP位置规定在可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定双脚行走机器人的脚的着地位置和着地时机的方法，其中，所述双脚行走机器人在重复单腿接地期间和双腿接地期间的状态下行走，所述方法的特征在于，包括 ZMP计算步骤，用于给定包含仅用第一脚站立的第一单腿接地期间和在第一单腿接地期间之后仅用第二脚站立的第二单腿接地期间的重心轨迹的始端和终端的边界条件，并给定第二脚的着地时机来解ZMP方程式，从而计算表示第二单腿接地期间内的ZMP位置的第二脚ZMP位置；以及 着地位置确定步骤，用于确定第二脚的着地位置，以使第二脚ZMP位置被包含在第二脚与地面的接触区域内； 其中，ZMP计算步骤在算出的第二脚ZMP位置脱离了与第二脚的可着地区域相对应地规定的第二脚ZMP允许区域时，修正着地时机，以使第二脚ZMP位置落入第二脚ZMP允许区域内。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述ZMP方程式具有第一脚ZMP位置和所述第二脚ZMP位置来作为变量，所述第一脚ZMP位置表示第一单腿接地期间内的ZMP位置， 所述ZMP计算步骤包括 第一子步骤，用于在所述边界条件和预先规定的初始约...

【专利技术属性】
技术研发人员：土井将弘，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：
国别省市：