使用地面反作用力传感器的步行机器人制造技术

一种使用简单的地面反作用力传感器的步行机器人及其控制方法。本发明专利技术的一个方面是提供一种步行机器人和控制该步行机器人的方法，能够减少开发和制造步行机器人的成本，并使非专家人员能够容易地参与开发。所述步行机器人包括多个腿。一个或多个传感器安装在每个腿的底部上以检测每个腿的底部在移动过程中是否与地面接触。所述步行机器人根据由多个移动周期构成的移动模式进行移动，并且在利用传感器的检测结果确定当前移动周期是否稳定之后从当前移动周期进行到下一个移动周期。

【技术实现步骤摘要】
使用地面反作用力传感器的步行机器人及其控制方法
本专利技术总的来说涉及移动机器人，尤其涉及一种利用活动腿执行移动或其它类似于移动的操作的步行机器人。
技术介绍
最近，已进行了对于模拟某些哺乳动物，诸如人类和猴子等的身体机能和动作以直立姿势执行两足移动的步行式移动机器人的研究和开发，从而增加了对于步行式移动机器人的实际应用的期望。与四腿或六腿运动相比，以直立姿势进行两足移动是不稳定的，并且难以控制其姿势。然而，两足移动的优点在于：它能够适应具有凸出和凹陷的表面，诸如不平的表面或障碍物，以及不连续的表面，诸如楼梯或梯子，从而可实现灵活的移动操作。与三腿或更多条腿的步行机器人相比，两足步行机器人涉及的许多技术难题在于，两足步行机器人应当通过分析它的机构、动力学和系统特性而被稳定地控制。两足步行机器人的稳定移动可以被定义为没有倾翻的移动(运动)。特别是，两足步行机器人的稳定姿势控制对于避免两足步行机器人的倾翻非常重要。两足步行机器人在移动过程中的倾翻意味着正在进行的操作被停止。如果在两足步行机器人倾翻并已经直立后所述操作继续，则操作时间被延迟至少停止的那段操作时间。此外，不仅步行机器人的身体承受倾翻，而且与步行机器人碰撞的物体也可能由于两足步行机器人在移动过程中的倾翻而遭到严重的损坏，从而在某些情况下可能产生严重的后果。因此，稳定姿势控制和防止移动过程中的倾翻是设计和开发步行机器人中要考虑的最重要的问题中的一部分。当前，两足步行机器人的移动控制技术采用零矩点(Zero MomentPoint(ZMP))理论作为评价移动稳定性的标准。ZMP理论认为：在俯-->仰轴力矩和横摇轴(roll axis)力矩等于零的点，即ZMP存在于由足底与地表面的地接触点形成的ZMP稳定区内部。根据ZMP理论，如果ZMP存在于由腿和地表面形成的支撑多边形内，并且力在每个瞬时移动中沿着步行机器人压地表面的方向作用，则步行机器人不倾翻并进行稳定的移动。到现在为止，由于与整个机器人的移动公式相比，ZMP理论和数值公式相对简单，因此，两足步行机器人的大多数控制算法都基于ZMP理论，从而有可能实时操作。然而，为了将ZMP理论应用于两足步行机器人而实现两足步行机器人的动态移动(利用惯性力)，则会产生以下描述的缺点及其它缺点。为了将ZMP理论应用于两足步行机器人，应当在两足步行机器人的踝部上使用诸如六轴测力传感器之类的地面反作用力传感器，并且应当在两足步行机器人的身体上或重心上使用加速传感器和陀螺传感器。然而，地面反作用力传感器较昂贵，从而开发和制造两足步行机器人的成本增加。同时，应当获得对于ZMP方程的解决方案，并应当根据所获得的解决方案控制两足步行机器人的动态移动。为此目的，应当使用高性能操作处理器(即，计算机)。此外，利用ZMP理论对两足步行机器人实施的动态移动控制应当具有准确的周期性，并且实时操作系统(RTOS)应当用于该控制中。高性操作处理器以及RTOS都很昂贵，这引起开发和制造成本的增加。特别是，当进行两足步行机器人的动态移动控制时，RTOS导致许多与时间有关的限制。此外，为了利用ZMP理论控制两足步行机器人，必须通过进行许多次试验来积累数据，同时设定和调节参数，并且，为了进行试验，需要各种领域的专业知识，例如设计、控制、动态分析等等。此外，在必要的时候，还另外需要用于系统分析、动态分析和控制稳定性检验的工具。上述的局限性会减少公众参与两足步行机器人开发的机会，从而成为阻碍两足步行机器人技术开发进展的主要因素。
技术实现思路
-->因此，本专利技术的一个目的是提供一种步行机器人和控制该步行机器人的方法，它们能够减少开发和制造步行机器人的成本，并使非专家人员能够容易地参与开发。本专利技术的其它方面和/或优点部分将在以下的描述中阐述，部分从描述中可明显得到，或通过实施本专利技术而得知。本专利技术的上述和/或其它方面通过提供一种步行机器人来实现，所述步行机器人包括多个腿，其中每个腿具有一个底部，一个或多个传感器安装在每个底部上以检测每个底部在移动过程中是否与地面接触，所述步行机器人根据由多个移动周期构成的移动模式进行移动，并且在利用传感器的检测结果确定当前移动周期是否稳定之后从当前移动周期进行到下一个移动周期。本专利技术的上述和/或其它方面还通过提供一种步行机器人来实现，所述步行机器人包括：多个腿；多个脚，每个脚设置有具有一个区域的底部，并且每个脚通过踝关节分别机械连接到多个腿中的一个腿上；多个传感器，所述多个传感器安装在分别形成在每个腿下部上的每个底部的预定位置处，并设置有通过在移动过程中接触地面而改变的状态；存储单元，用于存储在根据由多个移动周期构成的移动模式而移动的过程中移动周期稳定执行时的预先获得的传感器状态变化的信息，并存储该信息；以及控制单元，用于获得传感器状态变化的信息，以便通过将所获得的信息与存储的信息进行比较来评价当前移动周期的稳定性，并控制踝关节以使得当前的移动周期具有稳定性。本专利技术的上述和/或其它方面还通过提供一种控制步行机器人的方法来实现，所述步行机器人具有分别安装在多个底部中的每一个的预定位置处并设置有由外力改变的状态的传感器，并根据由多个移动周期构成的移动模式进行移动，所述方法包括：利用当步行机器人进行移动时多个底部接触地面时产生的传感器状态的变化来评价当前移动周期和移动的稳定性，并且根据评价的结果控制步行机器人的姿势和执行下一个移动周期。本专利技术的上述/和或其它方面还通过提供一种步行机器人的控制系统来实现，所述步行机器人具有左右腿，每个腿具有脚和通过各个左右踝-->关节连接到腿上的底部，所述左右踝关节由各个左右踝关节电动机来控制，所述控制系统包括：传感器单元，其安装在步行机器人的每个底部；控制单元，用于接收来自传感器单元的信息并评价步行机器人的当前移动状态和稳定性，以便产生对应于接收到的信息的控制信号；以及关节驱动单元，用于根据由控制单元产生的控制信号驱动左踝关节电动机和右踝关节电动机来获得稳定的移动。附图说明通过以下参照附图对优选实施例的描述，本专利技术的上述和其它方面和优点将变得更加明显和易于理解，其中：图1A和1B示出了根据本专利技术的一个实施例，安装在步行机器人脚的底部上的传感器的布置和操作；图2的方框图示出了图1的实施例的步行机器人的控制系统的一部分；图3的流程图示出了根据本专利技术另一实施例，图1的步行机器人的控制方法；图4A-4I示出了图1中步行机器人的若干移动周期中的每个周期，所述周期组合形成步行机器人的移动模式，以及在步行机器人的每个移动周期中传感器的状态变化；图5A和5B的流程图，示出实施图1中步行机器人的移动模式的控制方法。具体实施方式以下将具体说明根据本专利技术的步行机器人的优选实施例及其控制方法，其例子在附图1A至5B中示出，其中相同的标号在全文中表示相同的元件。图1A和1B示出安装在步行机器人脚的底部102上的传感器104a至104d的布置和操作。如图1A所示，总共四个传感器104a至104d中，两个传感器104a和104b位于步行机器人的底部102的前部，两个传感器104c和104d位于步行机器人的底部102的后部，这四个传感器安装-->在底部102上以检测当本专利技术的步行机器人移动时底部102是否与地本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种步行机器人，包括：　　　　多个腿，每个腿各自具有底部；和　　　　一个或多个传感器，所述一个或多个传感器安装在每个底部上以检测每个底部在移动过程中是否与地面接触，所述步行机器人根据由多个移动周期构成的移动模式进行移动，并且在利用传感器的检测结果确定当前移动周期是否稳定之后从当前移动周期进行到下一个移动周期。

【技术特征摘要】
KR 2003-8-29 2003-603221.一种步行机器人，包括：多个腿，每个腿各自具有底部；和一个或多个传感器，所述一个或多个传感器安装在每个底部上以检测每个底部在移动过程中是否与地面接触，所述步行机器人根据由多个移动周期构成的移动模式进行移动，并且在利用传感器的检测结果确定当前移动周期是否稳定之后从当前移动周期进行到下一个移动周期。2.根据权利要求1所述的步行机器人，其特征在于，所述移动模式是反射动态移动模式。3.根据权利要求1所述的步行机器人，其特征在于，所述传感器是安装在每个底部的三个或更多个传感器，所述传感器设置有被各个底部与地面接触时产生的地面反作用力所改变的状态；4.根据权利要求3所述的步行机器人，其特征在于，所述每个传感器产生两个值，所述两个值分别代表地面反作用力施加到底部和未施加到底部的状态。5.根据权利要求3所述的步行机器人，其特征在于，所述传感器是彼此分开布置以形成矩形的四个传感器。6.根据权利要求5所述的步行机器人，其特征在于，预先存储每个移动周期稳定地进行时所产生的四个传感器的状态变化的信息；获得当前移动周期实际进行时所产生的传感器的状态变化的信息；和通过比较所获得的信息和预先存储的信息来评价当前移动周期的稳定性。7.根据权利要求6所述的步行机器人，其特征在于，利用在移动过程中传感器状态变化的信息检测底部与地面接触部分的位置；和利用底部接触部分的位置评价当前的姿势。8.根据权利要求3所述的步行机器人，其特征在于，所述传感器是接触式传感器，所述接触式传感器检测底部分别与地面接触和不与地面接触的两种状态。9.根据权利要求3所述的步行机器人，其特征在于，所述传感器是测力电阻器(FSR)传感器，所述FSR传感器检测底部与地面接触时施加到底部的力，以便检测施加到底部的每个力分别等于或大于预设的最大值和小于预设的最大值的两种状态。10.根据权利要求3所述的步行机器人，其特征在于，所述传感器是压力传感器，所述压力传感器检测底部与地面接触时施加到底部的压力，以便检测施加到底部的每个压力分别等于或大于预设的最大值和小于预设的最大值的两种状态。11.根据权利要求1所述的步行机器人，其特征在于，所述多个移动周期包括：平衡身体以便伸出至少一个脚的周期；伸出所述脚的周期；和将伸出的脚放在地面上的周期。12.一种步行机器人，包括：多个腿；多个脚，每个脚设置有具有一个区域的底部，并且每个脚通过踝关节分别机械连接到各个腿中的一个腿上；多个传感器，所述多个传感器安装在分别形成在每个腿下部上的每个底部的预定位置处，并设置有通过在移动过程中接触地面而改变的状态；存储单元，用于存储根据由多个移动周期构成的移...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涌权，吴渊宅，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]