DE112005002207B4

DE112005002207B4 - Laufroboter unter Verwendung passiver Änderungen in Gelenkwinkeln und Steuerverfahren davon

Info

Publication number: DE112005002207B4
Application number: DE112005002207.2T
Authority: DE
Inventors: Toshio Fukuda; Yasuhisa Hasegawa; Masahiro Doi; Keisuke Suga; Yoshimi Kajitani
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: JP4559803B2; US20080258669A1; WO2006030934A1; DE112005002207T5; US7663332B2; JP2006082146A; DE112005002207B8

Abstract

Roboter (21) mit: einem Rumpf; mindestens zwei Beinverbindungen, wobei jede Beinverbindung drehbar über ein Hüftgelenk mit dem Rumpf verbunden ist und ein Fußgelenk besitzt; und einer Steuerung (22), die die folgenden Steueroperationen durchführt: 1) Ermöglichen einer freien Rotation des Fußgelenks einer den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung, so dass das Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung frei drehbar ist; 2) Messen von Gelenkwinkeln des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung; 3) Berechnen von Zielgelenkwinkeln von verbleibenden Gelenken des Roboters (21), die anders sind als das frei drehbare Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung, basierend auf den gemessenen Gelenkwinkeln des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung; und 4) Anpassen von Gelenkwinkeln der verbleibenden Gelenke, um gleich den entsprechenden berechneten Gelenkwinkeln zu werden, wobei eine Periode, in der eine der Beinverbindungen die den Boden berührende Beinverbindung ist, und die andere der Beinverbindungen eine untätige Beinverbindung ist, und eine Periode, in der die eine der Beinverbindungen eine untätige Beinverbindung ist, und die andere der Beinverbindung die den Boden berührende Beinverbindung ist, zyklisch wiederholt werden, damit der Roboter (21) läuft, wobei die Zielgelenkwinkel der verbleibenden Gelenke basierend auf die gemessenen Gelenkwinkel des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung unter den folgenden Bedingungen berechnet werden: ...

Description

Querverweis auf in Beziehung stehende Anmeldung
Die Anmeldung beansprucht die Priorität, die auf der japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2004-267019 , eingereicht am 14. September 2004, basiert, wobei der gesamte Inhalt davon unter Bezugnahme in dieser Anmeldung enthalten ist.
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Roboter, bei dem zwei oder mehr Beinverbindungen drehbar mit Hilfe eines Hüftgelenks mit einem Rumpf verbunden sind, und der durch Drehen der Beinverbindungen läuft.
Stand der Technik
Es wurden Roboter entwickelt, die durch Ändern der relativen Haltung bzw. Körperhaltung zwischen der linken Beinverbindung, der Hüfte und der rechten Beinverbindung laufen. Wenn die relative Haltung zwischen der linken Beinverbindung, der Hüfte und der rechten Beinverbindung verändert werden sollen, müssen die relativen Haltungen zwischen der linken Beinverbindung, der Hüfte und der rechten Beinverbindung so verändert werden, dass der Roboter als ein Ergebnis laufen kann. Zu diesem Zweck werden Gangdaten verwendet, die die Positionen und Haltungen der linken Fußspitze, der Hüfte und der rechten Fußspitze angeben.
Wie in 10 gezeigt, geben die Gangdaten die Positionen und Haltungen der linken Fußspitze, der Hüfte und der rechten Fußspitze in einem globalen Koordinatensystem an, das die Koordinaten des Raums definiert, in dem sich der Roboter bewegen soll. Um die Positionen der linken Fußspitze, der rechten Fußspitze und der Hüfte anzugeben, wird ein Referenzpunkt L0 für die linke Fußspitze eingeführt, ein Referenzpunkt R0 für die rechte Fußspitze eingeführt, und ein Referenzpunkt W0 für die Hüfte eingeführt. Um die Haltungen der linken Fußspitze, der rechten Fußspitze und der Hüfte anzugeben, ist ein Referenzvektor L eingeführt, der senkrecht zu der linken Fußspitze steht, ein Referenzvektor R eingeführt, der senkrecht zu der rechten Fußspitze steht und ein Referenzvektor W eingeführt, der entlang der Hüftsäule verläuft. In dem globalen Koordinatensystem geben die Gangdaten die x-, y- und z-Koordinaten des Referenzpunktes L0 der linken Fußspitze, die x-, y- und z-Koordinaten des Referenzpunktes R0 der rechten Fußspitze und die x-, y- und z-Koordinaten des Referenzpunktes W0 der Hüfte an. Zusätzlich geben die Gangdaten den Nickwinkel Lα, den Wankwinkel Lβ und den Gierwinkel Lγ des Referenzvektors L, den Nickwinkel Rα, den Wankwinkel Rβ und den Gierwinkel Rγ des Referenzvektors R, und den Nickwinkel Wα, den Wankwinkel Wβ und den Gierwinkel Wγ des Referenzvektors W an. Die Gangdaten zeichnen chronologisch Daten auf, die die Positionen und Haltungen der linken Fußspitze, der rechten Fußspitze und der Hüfte angeben. In 10 ist der Nickwinkel Vα, der Wankwinkel Vβ und der Gierwinkel Vγ des Vektors V veranschaulicht.
Wenn die Gangdaten, die die Positionen und Haltungen der linken Fußspitze, der rechten Fußspitze und der Hüfte angeben, gegeben sind, berechnet der Roboter die Gelenkwinkel von benötigten Gelenken, um die gegebenen Positionen und Haltungen einzunehmen und passt die Gelenkwinkel der Gelenke an, um gleich den berechneten Gelenkwinkeln zu sein. Weil sich die Gangdaten chronologisch ändern, ändern sich auch die Gelenkwinkel chronologisch. Der Roboter läuft durch chronologisches Ändern der relativen Haltung zwischen der linken Beinverbindung, der Hüfte und der rechten Beinverbindung gemäß den Gangdaten. Der Roboter fährt das Laufen fort ohne umzukippen, da die Positionen (W_x, W_y, W_z) und Haltungen (Wα, Wβ, Wχ) der Hüfte berechnet werden, um eine Beziehung zu erfüllen, dass der ZMP (Nullmomentpunkt) des Roboters innerhalb der Beinebene des Beins liegt, das in Kontakt mit dem Boden steht. Das vorstehende Verfahren kann als ein Verfahren eines aktiven Änderns von Gelenkwinkeln aller Gelenke des Roboters bezeichnet werden, um zu laufen, und ist unter anderem in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift JP H05-253867 A offenbart.
Die Erfinder haben ein intensives Studium einer Lauftechnologie durchgeführt, die sich von der vorstehend beschriebenen Technologie unterscheidet, und in der einige der Gelenkwinkel des Roboters passiv geändert werden, und der Roboter mit natürlicher Bewegung läuft. In einer Anmeldung, die der gegenwärtigen Anmeldung vorausgeht (japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift JP 2004-276167 A ) sind ein Roboter und ein Steuerverfahren davon offenbart, bei denen der Roboter natürliche und stabile Schrittbewegungen innerhalb einer Lateralebene durchführt und das untätige Bein in Vereinigung mit dem Schrittkreislauf innerhalb der Lateralebene anzieht. Der Roboter läuft mit natürlichen Bewegungen. Bei der vorstehend genannten Technologie dreht sich das Fußgelenk des den Boden berührenden Beins des Roboters frei, der Gelenkwinkel des Fußgelenks wird gemessen, und Gelenkwinkel der verbleibenden Gelenke des Roboters werden basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel des Fußgelenks des den Boden berührenden Beins angepasst. Die Gelenkwinkel der verbleibenden Gelenke werden so angepasst, dass der Schwerpunkt des Roboters sich in Richtung einer Position bewegt, bei der die Verbindung des untätigen Beins den Boden berühren soll. Bei der vorstehend genannten Technologie läuft ein Roboter mit einer natürlichen und passiven Bewegung, weil das Fußgelenk des den Boden berührendes Beins des Roboters frei und natürlich rotieren kann.
Durch Anwendung der vorstehend erwähnten Technologie schreitet der Roboter während des Laufens mit einer natürlichen Bewegung. Weil die Trägheit und die Schwerkraft, die auf den Roboter einwirken, effektiv verwendet werden, um die vorstehend erwähnte Schreitbewegung zu erreichen, ist ein Roboter dazu fähig, mit weniger Energie zu laufen, als wenn alle Gelenke davon aktiv bewegt werden.
Ferner offenbart die Druckschrift US 5,349,277 A ein System zum Steuern einer Bewegung eines Laufroboters. Dabei weist der Roboter einen Rumpf sowie eine Vielzahl von beweglichen Beinen auf, die jeweils über ein erstes Gelenk mit dem Rumpf verbunden sind und jeweils ein zweites Gelenk aufweisen, wobei Servomotoreinrichtungen an den einzelnen Gelenken des Roboters bereitgestellt sind. Weiterhin umfasst das System eine Steuereinrichtung zum Bereitstellen einer Steuergröße für jede Servomotoreinrichtung, so dass dieser das zugewiesene Gelenk auf einen Sollwert regelt.
Weiterhin beschreibt die Druckschrift DOI, M.; HASEGAWA, Y.; FUKUDA, T.: ”Passive Trajectory Control of the Lateral Motion in Bipedal Walking”, In: Proceedings of the 2004 IEEE International Conference an Robotics and Automation, April 2004, Vol. 3, Seiten 3049–3054, eine passive Trajektorien-basierte Steuerung der seitlichen Bewegung für zweibeinige Laufroboter.
Die nachveröffentlichte Druckschrift EP 1 649 984 A1 offenbart ein Verfahren zum Abschätzen einer Gelenkbeweglichkeit eines zweibeinigen Laufroboters.
Offenbarung der Erfindung
Jedoch bietet die vorstehend erwähnte Laufsteuertechnologie weiteren Raum für Verbesserung.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Roboter und ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Roboters bereitzustellen, wobei insbesondere die gewünschte Schrittlänge durch Anpassen eines Neigungswinkels des Torsos bei einer passiven Laufbewegung des Laufroboters erreicht wird.
Diese Aufgabe ist durch einen Roboter gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Steuern eines Roboters gemäß Anspruch 2 gelöst.
Bei der vorstehend erwähnten Laufsteuertechnologie kann sich der Laufzustand ändern, weil der Roboter mit passiven Bewegungen läuft, und die Schritte davon gestört werden können, wenn eine externe Störung daran angelegt wird. Bei der vorstehend erwähnten Laufsteuertechnologie fährt der Roboter mit dem Laufen mit einer natürlichen Bewegung fort, auch wenn der Schritt des Roboters gestört wurde. Jedoch ist es schwierig, das Gehen zu steuern, so dass es sich gemäß einem vorbestimmten Schritt verhält.
Es gibt Zeitpunkte, zu denen es notwendig ist, dass der Roboter mit einem Zielschritt (vorbestimmter Schritt) läuft, auch wenn eine externe Störung, wie vorstehend angemerkt, angelegt wird. Es besteht ein Bedürfnis für eine Technologie, die es dem Fußgelenk des den Boden berührenden Beins (Stützbein) ermöglicht, passiv gedreht zu werden und einen Roboter dazu zu bringen, mit einer natürlichen Bewegung zu laufen, während der Roboter gleichzeitig dazu gebracht wird, mit dem Zielschritt zu laufen.
Das vorstehende Problem wird in der Erfindung gelöst. Die Erfindung stellt eine Technologie bereit, die es dem Roboter erlaubt, mit dem Zielschritt zu laufen, bei einem Roboter, dessen Fußgelenk des den Boden berührenden Beins frei rotieren kann und passiv gedreht werden kann.
Ein Roboter, der in der Erfindung ausgeführt wird, ist mit zwei oder mehr Beinverbindungen versehen, die drehbar mit Hilfe von Hüftgelenken mit einem Rumpf verbunden sind. Jede Beinverbindung besitzt ein Fußgelenk, und der Roboter verwendet passive Änderungen des Gelenkwinkels des Fußgelenks des den Boden berührenden Beins zum Laufen.
Dieser Roboter umfasst eine Steuerung, die die folgenden Steuervorgänge durchführt:

1) Ermöglichen einer freien Rotation des Fußgelenks einer den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung;
2) Messen von Gelenkwinkeln des Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung;
3) Berechnen von Zielgelenkwinkeln von verbleibenden Gelenken des Roboters, die anders sind als das Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung, basierend auf den gemessenen Gelenkwinkeln des Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung; und
4) Anpassen von Gelenkwinkeln der verbleibenden Gelenke, um gleich den entsprechenden berechneten Gelenkwinkeln zu werden.

Gemäß der beschriebenen Steuerung werden eine Periode, in der eine der Beinverbindungen die den Boden berührende Beinverbindung ist, und die andere der Beinverbindungen eine untätige Beinverbindung ist, und eine Periode, in der die eine der Beinverbindungen eine untätige Beinverbindung ist und die andere der Beinverbindung die den Boden berührende Beinverbindung ist, zyklisch wiederholt, und der Roboter läuft. Die Details, wie die Steuerung arbeitet, um den Roboter laufen zu lassen, sind in der vorstehend beschriebenen japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift 2004-276167 offenbart.
Bei dem Roboter gemäß der Erfindung werden die Zielgelenkwinkel der verbleibenden Gelenke basierend auf den gemessenen Gelenkwinkeln des Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung unter den folgenden Bedingungen berechnet:

a) ein Schwerpunkt des Roboters bewegt sich in Richtung einer prognostizierten Bodenposition der untätigen Beinverbindung zwischen der Bodenposition der den Boden berührenden Beinverbindung und der prognostizierten Bodenposition der untätigen Beinverbindung in der Lateralrichtung, und bewegt sich in Richtung der prognostizierten Bodenposition der untätigen Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung, wenn die Gelenkwinkel der verbleibenden Gelenke angepasst werden, gleich den entsprechenden berechneten Zielgelenkwinkeln zu sein;
wenn die untätige Beinverbindung neuerdings den Boden berührt, werden die Hüftgelenke vor der Spitze der zuvor den Boden berührenden Beinverbindung positioniert, und die Spitze der neuerdings den Boden berührenden Beinverbindung wird vor den Hüftgelenken positioniert; und
c) ein Kippwinkel des Rumpfes passt sich einem Zielkippwinkel an, der basierend auf den gemessenen Gelenkwinkeln des Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung, einer Zyklusperiode der untätigen Beinverbindung vom Anheben bis zur Bodenberührung und einem Zielschritt der untätigen Beinverbindung bestimmt wird.

Weil das Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung des vorstehenden Roboters frei drehbar ist, neigt die den Boden berührende Beinverbindung dazu, natürlich und passiv zu kippen. Zu diesem Zeitpunkt sind die anderen Gelenkwinkel aktiv angepasst und der Roboter wird so gesteuert, dass die andere Beinverbindung (die untätige Beinverbindung) den Boden berührt, bevor der Roboter umkippt, wobei der Roboter davor bewahrt wird umzufallen. Die nun den Boden berührende Beinverbindung wird zu der den Boden berührende Beinverbindung, und die zuvor den Boden berührende Beinverbindung wird die untätige Beinverbindung. Durch Wiederholen dieses Zyklus fährt der Roboter mit Laufen fort, während die den Boden berührende Beinverbindung und die untätige Beinverbindung abgewechselt werden.
Wenn der Roboter damit fortfährt, vorwärts zu laufen, wird eine Vorwärtsträgheit an den Schwerpunkt des Roboters angelegt. Darum verhält sich der Schwerpunkt des Roboters, wenn der Gelenkwinkel des Fußgelenks der nun den Boden berührenden Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung befähigt ist, frei zu rotieren, wenn die Beinverbindung neuerdings den Boden berührt, wie ein umgekehrtes Pendel, bei dem das Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung eine Drehachse darstellt, und bewegt sich vorwärts, z. B. in Richtung der prognostizierten Bodenberührposition der untätigen Beinverbindung. Die Gelenkwinkel der anderen Winkel werden aktiv angepasst, so dass die Hüftgelenke vor der Spitze der den Boden berührenden Beinverbindung positioniert sind, und die Spitze der untätigen Beinverbindung vor den Hüftgelenken positioniert ist, wenn das untätige Bein den Boden berühren soll, und daher wird die untätige Beinverbindung vor der Bodenposition der den Boden berührenden Beinverbindung den Boden berühren. Weil eine Vorwärtsträgheit an den Schwerpunkt des Roboters zu einem Zeitpunkt angelegt wird, wenn die den Boden berührende Beinverbindung abgewechselt wird, verhält sich der Schwerpunkt des Roboters wie ein umgekehrtes Pendel, bei dem das Fußgelenk der abwechselnd den Boden berührenden Beinverbindung eine Drehachse ist, und bewegt sich weiter vorwärts. Durch Wiederholen des vorstehenden Prozesses fährt der Roboter damit fort, stabil vorwärts zu laufen.
Eine natürliche Laufbewegung kann aus dem vorgenannten Prozess erhalten werden, da die Bewegung der den Boden berührenden Beinverbindung natürlich und passiv erzeugt wird. Die für das Laufen benötige Energie kann ebenfalls reduziert werden, weil der Laufvorgang durch Verwenden von Bewegungen des Roboters realisiert wird, die mit der Dynamik des Roboters harmonisieren. Der Roboter stoppt, wenn eine Person seine/ihre Hand in Richtung des Roboters ausstreckt, und beendet seine passive Bewegung. Dieses Merkmal ist ebenso brauchbar für die Koexistenz zwischen Menschen und dem Roboter, was einen hohen Grad an Sicherheit schafft.
Die Bewegung des Roboters vom Anheben bis zur Bodenberührung der untätigen Beinverbindung ändert sich in Abhängigkeit des Kippens des Rumpfs. Wenn der Rumpf nach vorne kippt, bewegt sich der Schwerpunkt des Roboters nach vorne und nach unten, und die Distanz von dem Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung, die als die Drehachse für Bewegungen des Schwerpunktes des Roboters fungiert, wird kürzer für die meisten Zeitperioden vom Anheben bis zur Bodenberührung der untätigen Beinverbindung. Als eine Folge bewegt sich der Schwerpunkt des Roboters schnell vorwärts, und die untätige Beinverbindung rotiert ebenfalls schnell nach oben. Weil das Kippen des Rumpfs wenig Auswirkung auf die Zyklusperiode des Laufens innerhalb der Lateralebene hat, hat die Zeit vom Anheben bis zur Bodenberührung der untätigen Beinverbindung keine Auswirkung auf das Kippen des Rumpfs. Dadurch wird durch Kippen des Rumpfs der Winkel der den Boden berührenden Beinverbindung und der untätigen Beinverbindung größer, und die untätige Beinverbindung kippt weiter nach vorne und wird, als eine Folge, den Boden berühren, wobei die Schrittweite des Roboters vergrößert wird, wenn die untätige Beinverbindung neuerdings den Boden berührt.
Durch Verwenden der vorstehenden Beziehungen wird es ermöglicht, den Kippwinkel des Rumpfes zu identifizieren, der den Zielschritt zu einer Zeit erreicht, wenn die den Boden berührende Beinverbindung abzuwechseln ist. Durch Anpassen der aktiv gesteuerten Gelenkwinkel, so dass der Zielkippwinkel des Rumpfes erhalten wird, wird es ermöglicht, dass der Roboter mit dem Zielschritt läuft.
Die Bewegung des Roboters in der Vorwärtslaufrichtung, vom Anheben bis zur Bodenberührung der untätigen Beinverbindung, wird über den Gelenkwinkel und die Gelenkwinkelgeschwindigkeit des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung und die Zyklusperiode der Schrittbewegungen innerhalb der Lateralebene bestimmt. Der Gelenkwinkel und die Gelenkwinkelgeschwindigkeit des Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung kann gemessen werden. Die Zyklusperiode der Schrittbewegungen innerhalb der Lateralebene kann ebenso während des Laufens gemessen werden, oder können von den chronologischen Änderungen der Gelenkwinkel des Fußgelenks innerhalb der Lateralrichtung des Roboters berechnet werden.
Die Beziehungen zwischen dem Gelenkwinkel und der Gelenkwinkelgeschwindigkeit des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung, die Zyklusperiode der Schrittbewegung innerhalb der Lateralrichtung des Roboters, der Kippwinkel des Rumpfes und der Schritt können im Voraus mit Hilfe von Experimentieren ermittelt werden, oder können basierend auf den dynamischen Merkmalen des Roboters berechnet werden.
Bei der vorstehend genannten Schrittsteuerung kann der Zielkippwinkel des Rumpfes basierend auf den chronologischen Änderungen eines Gelenkwinkels des frei drehbaren Fußgelenks, der Zyklusperiode der Schrittbewegung und dem Zielschritt identifiziert werden, jedes Mal wenn die den Boden berührende Beinverbindung gewechselt wird. Auch wenn eine externe Störung an den Roboter angelegt wird, während der Roboter damit fortfährt zu laufen, und ein Laufzustand des Roboters aufgrund der externen Störung geändert wird, kann ein Kippwinkel des Rumpfes zeitlich, basierend auf dem Laufzustand dieser Zeit, angepasst werden, und ein Laufen mit dem gewünschten Schritt kann fortgesetzt werden.
Die gegenwärtige Erfindung kann ebenso bei einem Verfahren zum Steuern eines Roboters ausgeführt werden. Der Roboter umfasst mindestens zwei Beinverbindungen, und jede Beinverbindung ist drehbar mit einem Rumpf über ein Hüftgelenk verbunden. Jede Beinverbindung besitzt ein Fußgelenk. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

1) einen Schritt zum Ermöglichen einer freien Rotation des Fußgelenks einer den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und der Vorwärtsrichtung;
2) einen Schritt zum Messen von Gelenkwinkeln des Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung;
3) einen Schritt zum Berechnen von Zielgelenkwinkeln von verbleibenden Gelenken des Roboters, die anders sind als das Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung, basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel des Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung; und
4) einen Schritt zum Anpassen von Gelenkwinkeln der verbleibenden Gelenke, um gleich den berechneten Zielgelenkwinkeln zu werden.

Wenn der Roboter gemäß diesen Schritten gesteuert wird, werden eine Periode, in der eine der Beinverbindungen die den Boden berührende Beinverbindung ist, und die andere der Beinverbindungen die untätige Beinverbindung ist, und eine Periode, in der eine der Beinverbindungen die untätige Beinverbindung ist, und die andere der Beinverbindungen die den Boden berührende Beinverbindung ist, zyklisch wiederholt, und der Roboter läuft.
Bei dem gegenwärtigen Verfahren werden die Zielgelenkwinkel der verbleibenden Gelenke basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel des Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung unter den folgenden Bedingungen berechnet:

a) ein Schwerpunkt des Roboters bewegt sich in Richtung einer vorausgesagten bzw. prognostizierten Bodenberührposition der untätigen Beinverbindung zwischen der Bodenberührposition der den Boden berührenden Beinverbindung und der vorhergesagten Bodenposition der untätigen Beinverbindung in der Lateralrichtung, und bewegt sich in Richtung der vorausgesagten Bodenberührposition der untätigen Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung, wenn die Gelenkwinkel der verbleibenden Gelenke angepasst werden, um gleich den entsprechenden berechneten Zielgelenkwinkeln zu werden;
b) wenn die untätige Beinverbindung neuerdings den Boden berührt, werden die Hüftgelenke vor der Spitze der zuvor den Boden berührenden Beinverbindung positioniert, und die Spitze der neu den Boden berührenden Beinverbindung wird vor den Hüftgelenken positioniert; und
c) ein Kippwinkel des Rumpfes passt sich einem Zielkippwinkel an, der basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel des Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung, einer Zyklusperiode der untätigen Beinverbindung vom Anheben bis zur Bodenberührung und einem Zielschritt der untätigen Beinverbindung bestimmt wird.

Gemäß dem Verfahren zum Steuern des Roboters der gegenwärtigen Erfindung kann der Roboter mit dem Zielschritt laufen, unter Verwendung eines Phänomens, das sich natürlich ändert. Dies passt gut zu menschlichen Laufmustern, und eine natürliche Laufbewegung wird erhalten. Zusätzlich entspricht das Steuerverfahren den Dynamiken des Roboters und ermöglicht ihm, mit niedrigem Energieverbrauch zu laufen. Weil ein Phänomen, das sich natürlich ändert, verwendet wird, um den Roboter laufen zu lassen, stoppt der Roboter weiterhin ein Laufen, wenn eine Person seine natürlichen Änderungen unterlässt. Weil der Roboter stehen bleibt, wenn eine Person ihre/seine Hand ausstreckt, ist es für Menschen einfach, mit dem Roboter zu koexistieren, und ein hoher Grad an Sicherheit kann beibehalten werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die gegenwärtige Erfindung kann klarer durch die Bezugnahme auf die nachstehenden Zeichnungen verstanden werden. Die Bestandteile der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise in einem festen Maßstab gezeichnet, sondern stellt vielmehr ein Hervorheben dar, um klar die fundamentalen Aspekte der gegenwärtigen Erfindung zu demonstrieren. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bereiche in den unterschiedlichen Zeichnungen.
1 zeigt einen mechanischen Aufbau eines Roboters.
2 zeigt Elemente einer Steuerung für den Roboter. 2(1) zeigt die Steuerelemente, während sich das rechte Bein in einem den Boden berührenden Zustand befindet. 2(2) zeigt die Steuerelemente, während sich das linke Bein in dem den Boden berührenden Zustand befindet.
3 zeigt die Rechts/Links-Schritt-Bewegungen des Roboters, und vergleicht diese mit den Steuerelementen.
4 zeigt eine Laufbewegung in Vorwärtsrichtung des Roboters und vergleicht diese mit den Steuerelementen.
5 zeigt eine chronologische Änderung eines Gelenkwinkels θ9.
6 veranschaulicht ein Phasenbestimmungsverarbeitungsprotokoll.
7 zeigt Bewegungswege des Schwerpunktes innerhalb der Lateralebene.
8 zeigt Bewegungswege des Schwerpunktes innerhalb der Sagittalebene.
9 zeigt die Beziehung zwischen dem Kippen des Rumpfes und dem Schritt.
10 zeigt eine Anweisungstechnologie für einen herkömmlichen Roboter.
Bestes Verfahren zum Ausführen der Erfindung
Nachstehend werden Beispiele, in denen die gegenwärtige Erfindung ausgeführt wird, mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt einen mechanischen Aufbau eines Roboters 21. Der Roboter 21 weist ein Hüftgelenkpaar mit zwei Rotationsachsen, ein Kniegelenkpaar mit einer Rotationsachse, ein Fußgelenkpaar mit zwei Rotationsachsen, ein Schultergelenkpaar mit zwei Rotationsachsen und ein Paar Ellbogengelenke mit einer Rotationsachse auf. Der Roboter 21 weist Motoren auf, die Impulsgeber auf jeder Rotationsachse aufweisen, und Gelenkwinkel anpassen und Gelenkwinkel messen können. θ1 bis θ10 geben Gelenkwinkel an. Bezugszeichen 17 und 18 geben Kraftsensoren, und 19 und 20 geben Fotosensoren an. Die Fotosensoren 19 und 20 erfassen, ob die Fußfläche den Boden berührt oder angehoben ist.
2 zeigt die Elemente einer Steuerung 22 für einen Roboter 21. Die Ausgabe von Impulsgebern 1 bis 10, die Ausgabe der Kraftsensoren 17 und 19 und die Ausgabe der Fotosensoren 19 und 20 werden in die Steuerung 22 eingegeben, die Rotationswinkel von Motoren 1 bis 10 entsprechend anweist.
3 zeigt einen Laufroboter aus der Frontalansicht. (1) zeigt den Zustand, in dem das rechte Bein hingestellt wird. (a) zeigt den Zustand, in dem der Roboter 21 von dem in (1) gezeigten Zustand nach links gekippt ist, direkt bevor das linke Bein auf den Boden platziert wird. (2) zeigt den Zustand, in dem das linke Bein auf dem Boden platziert ist. (3) zeigt den Zustand, in dem der Roboter 21 weiter nach links gekippt ist, und das linke Bein hingestellt wird. (4) zeigt einen Zustand, in dem der Roboter 21 von dem in (3) gezeigten Zustand nach rechts gekippt ist, und das rechte Bein auf dem Boden platziert ist. (5) zeigt den Zustand, in dem der Roboter 21 weiter nach rechts gekippt ist, und das rechte Bein hingestellt wird. (1) und (5) sind die gleichen Zustände und (3) ist ein entgegen gesetzter links/rechts-symmetrischer Zustand. (2) und (4) sind die entgegen gesetzten links/rechts-symmetrischen Zustände. Der Roboter 21 wiederholt die Zustände (1), (2), (3), (4) und (1) von 3 mit Hilfe der Steuerung 22, um die Schrittbewegung innerhalb der Lateralebene (links und rechts schreitend) durchzuführen.
4 zeigt einen Laufroboter aus der Seitenansicht. Die Zustände (1), (a), (2), (3), (4) und (5) in 4 entsprechen den Zuständen (1), (a), (2), (3), (4) und (5) von 3. (1) zeigt den Zustand, in dem das rechte Bein in Kontakt mit dem Boden ist, und das linke Bein angehoben ist. (a) zeigt den Zustand, in dem der Schwerpunkt sich von dem in (1) gezeigten Zustand nach vorne bewegt, direkt bevor das linke Bein auf den Boden platziert wird. (2) zeigt den Zustand, in dem das linke Bein nach vorne auf den Boden platziert wird. (3) zeigt den Zustand, in dem das rechte Bein von dem in (2) gezeigten Zustand abgehoben ist, und der Schwerpunkt sich weiter nach vorne bewegt. (4) zeigt den Zustand, in dem der Schwerpunkt von dem in (3) gezeigten Zustand nach vorne bewegt wird, und das rechte Bein vorwärts auf den Boden platziert wird. (5) zeigt den Zustand, in dem das linke Bein von dem in (4) gezeigten Zustand abgehoben wird, und sich der Schwerpunkt weiter vorwärts bewegt. (1) und (5) sind die gleichen Zustände, und (3) ist ein entgegengesetzter links/rechts-symmetrischer Zustand. (2) und (4) sind die entgegengesetzten links/rechts-symmetrischen Zustände.
Der Roboter 21 führt die Vorwärtsbewegung innerhalb der in 4 gezeigten Sagittalebene durch, in Synchronisation mit der Rechts- und Links-Schritt-Bewegung innerhalb der in 3 gezeigten Lateralebene mit Hilfe der Steuerung 22, und läuft vorwärts.
Wie in 2 gezeigt wird, besitzt die Steuerung 22 eine Phasenbestimmungseinrichtung 24, und die Steuerelemente können gemäß den Phasen, die bestimmt wurden, geschaltet werden. Wie in den 3 und 4 gezeigt wird, sind die Phasen in vier Zustände aufgeteilt: einer Unterstützungs-A-Phase des rechten Beins von Zustand (1) zu Zustand (2), eine Unterstützungs-B-Phase des linken Beins von Zustand (2) zu Zustand (3), eine Unterstützungs-A-Phase des linken Beins von Zustand (3) zu Zustand (4) und eine Unterstützungs-B-Phase des rechten Beins von Zustand (4) zu Zustand (5).
5 zeigt die chronologische Änderung in dem Gelenkwinkel θ9 des rechten Fußgelenks in der Lateralrichtung. Bei dem Roboter 21 in Zustand (1) ist der Gelenkwinkel θ9 = –α (der minimale Gelenkwinkel dieses Gelenks). Wenn der Gelenkwinkel θ9 bis zu kα rotiert (k ist eine Konstante von 1 oder niedriger), befindet sich der Roboter 21 in Zustand (2), und das linke Bein kontaktiert den Boden. Bei dem Roboter 21 in Zustand (3) ist der Gelenkwinkel θ9 = +α (der maximale Gelenkwinkel dieses Gelenks). Wenn der Gelenkwinkel θ9 nach unten bis –kα rotiert, befindet sich der Roboter 21 in Zustand (4), und das rechte Bein berührt den Boden. Bei dem Roboter 21 in Zustand (5) ist der Gelenkwinkel θ9 –α und befindet sich in Zustand (1).
6 zeigt ein Beispiel der Bestimmungsvorgangsprozedur gemäß der Phasenbestimmungseinrichtung 24. Die Phasenbestimmungseinrichtung 24 identifiziert die Phasen mit Hilfe des Gelenkwinkels θ9 des rechten Fußgelenks in der Lateralrichtung. Wenn in Schritt S2 θ9 = α ist, dann identifiziert die Phasenbestimmungseinrichtung 24, dass die Unterstützungs-A-Phase des linken Beins (Schritt S4) vorliegt. Wenn in Schritt S6 θ9 = –α ist, dann identifiziert die Phasenbestimmungseinrichtung 24, dass die Unterstützungs-A-Phase des rechten Beins (Schritt S8) vorliegt. Wenn θ9 in Schritt S10 anwächst, und θ9 in Schritt S12 größer als –α und kleiner als kα ist, dann identifiziert die Phasenbestimmungseinrichtung 24, dass die Unterstützungs-A-Phase des rechten Beins (Schritt S14) vorliegt. Wenn θ9 in Schritt S10 ansteigt, und θ9 in Schritt S12 größer oder gleich kα ist, dann identifiziert die Phasenbestimmungseinrichtung 24, dass die Unterstützungs-B-Phase des linken Beins (Schritt S16) vorliegt. Wenn θ9 in Schritt S10 abnimmt, und θ9 in Schritt S18 kleiner als α und größer als –kα ist, dann identifiziert die Phasenbestimmungseinrichtung 24, dass die Unterstützungs-A-Phase des linken Beins (Schritt S20) vorliegt. Wenn θ9 in Schritt S10 abnimmt und θ9 in Schritt S18 kleiner oder gleich –kα ist, dann identifiziert die Phasenbestimmungseinrichtung 24, dass die Unterstützungs-B-Phase des rechten Beins (Schritt S22) vorliegt. Diese Phasenbestimmungsvorgangsprozedur ist nur ein Beispiel und verschiedene andere Prozeduren können angewendet werden. Es können ebenso Daten von den Kraftsensoren 17, 18 und den Fotosensoren 19, 20 angewendet werden, um die Phase zu bestimmen.
Die in 2 gezeigte Steuerung 22 schaltet die Steuerelemente gemäß den Bestimmungsergebnissen der Phasenbestimmungseinrichtung 24. 2(1) zeigt die Steuerelemente in dem Unterstützungszustand des rechten Beins. In dem Unterstützungszustand des rechten Beins steuert die Steuerung 22 diese wie folgt.

1) Es wird den Motoren des rechten Fußgelenks des den Boden berührenden rechten Beins in der Lateralrichtung (θ9 in dieser Situation) und der Vorwärtsrichtung (θ10 in dieser Situation) ermöglicht, selbständig frei zu rotieren. Die Gelenke θ9 und θ10 werden zu passiven Gelenken (freie Gelenke) gemacht, und es wird ihnen ermöglicht, passiv zu rotieren.
2) Es werden die Winkel θ9 und θ10 der passiv rotierenden Gelenke gemessen.
3) Basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel θ9 wird der Zielgelenkwinkel des Hüftgelenks des den Boden berührenden rechten Beins in der Lateralrichtung (θ7 in dieser Situation) berechnet. Die Details dieser Berechnung werden nachstehend bereitgestellt.
4) Der Zielgelenkwinkel des Hüftgelenks des untätigen Beins (linkes Bein in dieser Situation) in der Lateralrichtung (θ2 in dieser Situation) wird gleich θ7 gesetzt. Als eine Folge werden das den Boden berührende rechte Bein und das untätige linke Bein parallel gehalten, wenn diese aus der Vorwärtsrichtung betrachtet werden.
5) Der Zielgelenkwinkel des Fußgelenks des untätigen Beins (linkes Bein in dieser Situation) in der Lateralrichtung (θ4 in dieser Situation) wird gleich θ9 gesetzt. Als eine Folge wird die Fußfläche des untätigen linken Beins mit der Fußfläche des den Boden berührenden rechten Beins parallel beibehalten.
6) Die Kniegelenke (θ3 und θ8) werden bei einem Winkel beibehalten, bei dem die Knie sich gerade erstrecken (hier 0).
7) Basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel θ10 wird der Zielgelenkwinkel des Hüftgelenks des den Boden berührenden rechten Beins in der Vorwärtsrichtung (θ6 in dieser Situation) gleich –θ10 + γ gesetzt. Dadurch wird der Rumpf des Roboters um den Winkel γ von der Richtung, die senkrecht zu dem Boden steht, vorwärts gekippt. Der Winkel γ ist ein Zielkippwinkel des Rumpfes. Details der Berechnung von γ werden nachstehend bereit gestellt.
8) Der Zielgelenkwinkel des Hüftgelenks des untätigen linken Beins in der Vorwärtsrichtung (θ1 in dieser Situation) wird gleich –θ10 – γ gesetzt. Auf diese Weise beginnt das untätige linke Bein in der Vorwärtsrichtung zu laufen.
9) Der Zielgelenkwinkel des linken Fußgelenks des untätigen linken Beins in der Vorwärtsrichtung (θ5 in dieser Situation) wird gleich –θ10 gesetzt. Auf diese Weise verbleibt die Fußfläche des untätigen linken Beins parallel mit der Fußfläche des den Boden berührenden rechten Beins.

2(2) zeigt die Steuerdetails in dem Unterstützungszustand des linken Beins. In dem Unterstützungszustand des linken Beins steuert die Steuerung 22 dieses wie folgt.

1) Es wird den Motoren des linken Fußgelenks des den Boden berührenden linken Beins in der Lateralrichtung (θ4 in dieser Situation) und der Vorwärtsrichtung (θ5 in dieser Situation) erlaubt, selbständig frei zu rotieren. Die Gelenke θ4 und θ5 werden zu passiven Gelenken (freien Gelenken) gemacht und es wird diesen ermöglicht, passiv zu rotieren.
2) Es werden die Winkel θ4 und θ5 der passiv rotierenden Gelenke gemessen.
3) Basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel θ4 wird der Zielgelenkwinkel des Hüftgelenks des den Boden berührenden linken Beins in der Lateralrichtung (θ2 in dieser Situation) berechnet. Die Details dieser Berechnung werden nachstehend bereitgestellt.
4) Der Zielgelenkwinkel des Hüftgelenks des untätigen Beins (linkes Bein in dieser Situation) in der Lateralrichtung (θ7 in dieser Situation) wird gleich θ2 gesetzt. Als eine Folge verbleiben das den Boden berührende linke Bein und das untätige rechte Bein parallel, wenn diese aus der Vorwärtsrichtung betrachtet werden.
5) Der Zielgelenkwinkel des Fußgelenks des untätigen Beins (linkes Bein in dieser Situation) in der Lateralrichtung (θ9 in dieser Situation) wird gleich θ4 gesetzt. Als eine Folge verbleibt die Fußfläche des untätigen rechten Beins parallel mit der Fußfläche des den Boden berührenden linken Beins.
6) Die Kniegelenke (θ3 und θ8) verbleiben bei einem Winkel, in dem die Knie sich gerade erstrecken (hier Null).
7) Basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel θ5 wird der Zielgelenkwinkel des Hüftgelenks des den Boden berührenden linken Beins in der Vorwärtsrichtung (θ1 in dieser Situation) gleich θ5 – γ gesetzt. Dadurch wird der Rumpf des Roboters 21 um den Winkel γ von der Richtung, die senkrecht zu dem Boden steht, gekippt. Der Winkel γ ist ein Zielkippwinkel des Rumpfs. Details der Berechnung von γ werden nachstehend bereitgestellt.
8) Der Zielgelenkwinkel des Hüftgelenks des untätigen rechten Beins in der Vorwärtsrichtung (θ6 in dieser Situation) wird gleich θ5 + γ gesetzt. Auf diese Weise beginnt das untätige rechte Bein in der Vorwärtsrichtung zu laufen.
9) Der Zielgelenkwinkel des rechten Fußgelenks des untätigen rechten Beins in der Vorwärtsrichtung (θ10 in dieser Situation) wird gleich –θ5 gesetzt. Auf diese Weise verbleibt die Fußfläche des untätigen rechten Beins parallel mit der Fußfläche des den Boden berührenden linken Beins.

Wie in 2 gezeigt wird, weist die Steuerung 22 die Phasenbestimmungseinrichtung 24 und eine Vielzahl von Einrichtungen 26, 28, 30 und 34 auf. Die Einrichtung 26 ermöglicht eine der Kombinationen von Motor 4 und Motor 5 oder Motor 9 und Motor 10, frei basierend auf der bestimmten Phase. Die Einrichtung 28 misst die Rotationswinkel der freien Fußgelenke (θ4 und θ5 oder θ9 und θ10). Die Einrichtung 30 berechnet die Zielgelenkwinkel der anderen Motoren gemäß den Gelenkwinkeln, die durch die Einrichtung 28 gemessen wurden. Die Einrichtung 34 passt die Gelenkwinkel der anderen Motoren an, um gleich den berechneten Zielgelenkwinkeln zu werden. Wenn die Gelenkwinkel der anderen Motoren zu berechnen sind, wird ein laterales Schwerpunkt-Übergangsmodell und ein Vorwärts-Schwerpunkt-Übergangsmodell (32, nachstehend beschrieben) verwendet.
Das laterale Schwerpunkt-Übergangsmodell wird nachstehend beschrieben. Wie in 7 gezeigt ist, befindet sich der Schwerpunkt des Roboters 21 an Position W1, wenn das rechte Bein in den Zustand (1) gesetzt wird und bei θ9 = –α verbleibt. Wenn θ9 = kα, befindet sich der Schwerpunkt des Roboters 21 an Position W2, wenn der Roboter 21 nach links von Zustand (1) kippt, und das linke Bein auf den Boden gesetzt wird.
Nach Zustand (1), d. h. in der Unterstützungs-A-Phase des rechten Beins, ändert sich der Schwerpunkt als Antwort auf den Gelenkwinkel θ9, der frei bzw. beliebig ist. Wenn der Schwerpunkt mit θ9 = –α sich bei W1 befindet, bewegt sich der Schwerpunkt W1 zu W2, wenn der Roboter 21 nach links kippt. Wenn der Schwerpunkt bei einer Bedingung, dass θ9 = kα, nach W2 bewegt wird, wechselt der Roboter 21 von Zustand (1) zu Zustand (2).
Der Schwerpunkt innerhalb der Lateralebene des Roboters 21 (die Ebene senkrecht zu der Vorwärtslaufrichtung) wird über θ2, θ4, θ7 und θ9 bestimmt. In dem Unterstützungszustand des rechten Beins ist θ9 frei (Messungen können durchgeführt werden, aber nicht aktiv gesteuert werden), ist θ4 = θ9, θ2 = θ7 und θ7 wird basierend auf θ9 berechnet. Wenn θ7 aus θ9 berechnet wird, werden die folgenden Beziehungen erfüllt:

1) Der Schwerpunkt des Roboters 21 befindet sich bei W1 wenn θ9 = –α, und θ7 wird angepasst, um gleich dem basierend auf θ9 berechneten θ7 zu werden (–α in dieser Situation);
2) Der Schwerpunkt des Roboters 21 befindet sich bei W2 wenn θ9 = kα ist, und θ7 wird angepasst, gleich dem basierend auf θ9 berechneten θ7 zu werden (kα in dieser Situation);

21

1

2

Der Schwerpunkt W1, wenn θ9 = –α, befindet sich links von der Bodenposition des rechten Beins, und der Roboter 21 wird nicht weiter nach rechts kippen als bisher. Der Roboter 21 wird nicht nach rechts umkippen. Weil der Schwerpunkt W1 sich links von der Bodenposition des rechten Beins befindet, wenn es dem Gelenk θ9 ermöglicht wird, frei zu rotieren, wird der Roboter 21 nach links kippen.
Der Zielgelenkwinkel des Gelenks θ7 kann bezüglich des gemessenen Werts von θ9 basierend auf geometrische Beziehungen berechnet werden, so dass z. B. sich die Position des Schwerpunkts innerhalb der Lateralebene des Roboters 21 auf einer geraden Linie von W1 zu W2 bewegt. Wenn θ7 mit Hilfe des Vorstehenden berechnet wurde, und ein tatsächlicher Gelenkwinkel angepasst wurde, gleich dem berechneten Gelenkwinkel θ7 zu sein, wird eine Beziehung erhalten, in der sich der Schwerpunkt des Roboters 21, der sich bei W1 befindet, wenn θ9 = –α, von W1 zu W2 bewegt, wenn der Roboter 21 nach links kippt, und bei W2 ankommt, wenn θ9 = kα.
7 zeigt ebenso den Übergang des Schwerpunkts von Zustand (2) zu Zustand (3). Wenn der linke Fuß aufgesetzt wird und θ4 = α beibehalten wird, wird der Schwerpunkt durch W3 angegeben. Wenn θ2, θ7 und θ9 gemäß der Änderung von θ4 gesteuert werden, so dass der Schwerpunkt in Zustand (3) bei W3 ankommt, wechselt der Roboter 21 von Zustand (2) zu Zustand (3).
In der Unterstützungs-B-Phase des linken Beins wird θ2 aus θ4 berechnet, und eine Steuerung wird durchgeführt, so dass θ7 = θ2 und θ9 = θ4 wird. Wenn eine Beziehung erhalten wird, bei der sich der Schwerpunkt des Roboters bei W2 befindet, wenn θ4 = –kα, bewegt sich dieser von W2 in Richtung W3, wenn der Roboter 21 nach links kippt, und erreicht W3, wenn θ4 = α ist, und der Roboter 21 wechselt von Zustand (2) zu Zustand (3). In dieser Situation können ebenso Verfahren gleich der vorstehend angemerkten Berechnung von θ7 angewendet werden, und θ2 kann basierend auf θ4 berechnet werden.
Der Schwerpunkt W3 befindet sich, wenn θ4 = α, rechts von der Bodensituation des linken Beins, und der Roboter 21 wird nicht weiter nach links kippen als bisher. Der Roboter wird nicht nach links umkippen. Weil sich der Schwerpunkt W3 rechts von der Bodenposition des linken Beins befindet, wird der Roboter 21 nach rechts kippen, wenn es dem Gelenk θ4 ermöglicht wird, frei zu rotieren.
7 zeigt ebenso den Übergang des Schwerpunkts von Zustand (3) zu Zustand (4). Wenn sich der Schwerpunkt bei der W4-Position befindet, wenn der Roboter 21 nach rechts kippt, ist θ4 = –kα, der rechte Fuß berührt den Boden, und der Roboter 21 wechselt von Zustand (3) zu Zustand (4).
Gleichermaßen zeigt 7 ebenso den Übergang des Schwerpunkts von Zustand (4) zu Zustand (1). Wenn sich der Schwerpunkt an der W1-Position befindet, wenn das rechte Bein des Roboters bei θ9 = –α aufgesetzt wird, wechselt der Roboter 21 von Zustand (4) zu Zustand (1).
Der Schwerpunkt innerhalb der Lateralebene befindet sich zwischen W1 und W3, aber ist innerhalb einer Länge L zwischen den Bodenpositionen der linken und rechten Beinverbindung in der Lateralrichtung. Wenn die linke Beinverbindung die untätige Beinverbindung ist, bewegt sich der Schwerpunkt in Richtung der Bodenposition der linken Beinverbindung, und wenn die rechte Beinverbindung die untätige Beinverbindung ist, bewegt sich der Schwerpunkt in Richtung der Bodenposition der rechten Beinverbindung.
In der Unterstützungs-A-Phase des rechten Beins von Zustand (1) zu Zustand (2) tritt dieses Phänomen natürlich auf, da der Schwerpunkt abfällt. Obwohl der Schwerpunkt in der Unterstützungs-B-Phase des linken Beins von Zustand (2) zu Zustand (3) ansteigt, tritt dieses Phänomen natürlich auf, da eine Trägheit vorhanden ist, wenn der Roboter 21 nach links kippt, von Zustand (1) zu Zustand (2). Gleichermaßen tritt in der Unterstützungs-A-Phase des linken Beins von Zustand (3) zu Zustand (4) dieses Phänomen natürlich auf, da der Schwerpunkt abfällt. Obwohl der Schwerpunkt in der Unterstützungs-B-Phase des rechten Beins von Zustand (4) zu Zustand (1) ansteigt, tritt dieses Phänomen natürlich wegen des Vorhandenseins einer Trägheit auf, wenn der Roboter 21 von Zustand (3) zu Zustand (4) nach rechts kippt.
Die wiederholte Bewegung von Zustand (1) zu Zustand (5) ähnelt einem dreieckigen Prisma, das eine Pendelbewegung auf einem Boden durchführt, und den Reflexionskoeffizient 1 aufweist, und kann eine Bewegung mit wenig Energie fortsetzen. Wenn keine Reibung in einem drehbaren oder rotierbaren Gelenk auftritt, kann die wiederholte Bewegung von Zustand (1) zu Zustand (5) ohne Abschwächung wiederholt werden. Tatsächlich existiert Reibung. Durch das Bereitstellen eines Moments in den Motoren an die rotierbaren Gelenke, die lediglich die Reibung kompensiert, kann ein Zustand, in dem keine Reibung existiert, erzeugt werden. In der gegenwärtigen Erfindung bedeutet der Ausdruck, dass es einem Gelenk möglich ist, frei zu rotieren, dass eine passive Rotation ohne Anlegen eines elektrischen Stroms an den Motor ermöglicht wird. Wenn die Reibung angewendet wird, und eine freie Rotation möglicherweise gestört wird, kann ein Moment, das diese Reibung kompensiert, durch den Motor zugeführt werden, um die freie Rotation zu unterstützen. Dieser Zustand ist ebenso ein Zustand, dass es einem Gelenk ermöglicht wird, frei zu rotieren.
Nachstehend wird das Vorwärts-Schwerpunkt-Übergangsmodell beschrieben. Eine wiederholte Bewegung von Zustand (1) zu Zustand (4) wird Laufbewegungen des rechten und linken Beins innerhalb der Lateralebene ermöglichen. Wenn ein Vorgang, bei dem das untätige Bein vorwärts rotiert wird, gleichzeitig mit der Laufbewegung des rechten und linken Beins innerhalb der Lateralebene hinzugeführt wird, schreitet der Roboter 21 fort. Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich das untätige Bein durch die Luft, obwohl das Knie des untätigen Beins nicht gekrümmt wird aufgrund der Verwendung des Kippens nach links oder rechts oder den Laufbewegungen innerhalb der Lateralebene.
8 zeigt die Bewegung des Schwerpunkts innerhalb der Sagittalebene des Roboters 21 (eine Ebene, die sowohl die Richtung, in der der Roboter 21 läuft, als auch die vertikale Richtung umfasst). Um die Erklärung zu vereinfachen, ist die vertikale Bewegung des Schwerpunkts zusammen mit der Drehbewegung in der Lateralrichtung nicht in 8 dargestellt. Jedoch überlagert die vertikale Bewegung des Schwerpunkts zusammen mit der Drehbewegung in der Lateralrichtung den tatsächlichen Bewegungspfad des Schwerpunktes.
In Zustand (1) ist das rechte Bein das Unterstützungsbein und das linke Bein ist das untätige Bein. Wenn der Roboter 21 damit fortfährt, vorwärts zu laufen, weist der Schwerpunkt des Roboters 21 eine Trägheit in der Vorwärtsrichtung auf. Weil das Fußgelenk θ10 des den Boden berührenden rechten Beins in der Vorwärtsrichtung frei bzw. beliebig ist, stellt der Schwerpunkt das Verhalten eines umgekehrten Pendels dar, bei dem das Fußgelenk θ10 des rechten Beins die Drehachse ist, und bewegt sich vorwärts. Weil an diesem Punkt θ8 = 0 und θ6 = –θ10 + γ, bewegt sich der Rumpf des Roboters 21 vorwärts, während eine Haltung beibehalten wird, die mit dem Winkel γ von der Vertikalen nach vorne gekippt ist. Die Hüftgelenke des Roboters 21 bewegen sich ebenso hintereinander mit der Bewegung des Schwerpunkts. Weil θ1 = –010 – γ und θ3 = 0, beginnt das linke Bein (das untätige Bein) sich nach vorne zu bewegen, so dass das linke Bein bezüglich einer vertikalen Linie symmetrisch dem rechten Bein ist. Die Fußfläche des linken Beins ist parallel zu der Fußfläche des rechten Beins, weil θ5 = –θ10.
Als eine Folge der Laufbewegung in der Lateralrichtung, wenn das linke Bein so auf den den Boden berührenden Zustand (2) gesetzt wird, kippt der Roboter 21 nach links, um das Unterstützungsbein von dem rechten Bein zu dem linken Bein wechseln, und das Fußgelenk θ5 des neuerdings den Boden berührenden linken Beins wird in der Vorwärtsrichtung frei bzw. beliebig. Weil der Schwerpunkt des Roboters 21 eine Vorwärtsträgheit aufweist, stellt der Schwerpunkt des Roboters das Verhalten eines umgekehrten Pendels dar, in dem das Fußgelenk θ5 die Drehachse darstellt, und bewegt sich vorwärts. Weil an diesem Punkt θ3 = 0 und θ1 = θ5 – γ, bewegt sich der Rumpf des Roboters 21 vorwärts, während eine Haltung beibehalten wird, die um den Winkel γ von der Vertikalen vorwärts gekippt ist. Die Hüftgelenke des Roboters 21 bewegen sich ebenso mit der Bewegung des Schwerpunkts nacheinander vorwärts. Weil θ6 = θ5 + γ und θ8 = 0, beginnt das rechte Bein (das nun angehobene untätige Bein) sich vorwärts zu bewegen, so dass das rechte Bein bezüglich einer vertikalen Linie symmetrisch mit dem linken Bein ist. Die Fußfläche des rechten Beins ist parallel zu der Fußfläche des linken Beins, weil θ10 = –θ5.
In Zustand (3) ist das linke Bein das Unterstützungsbein und das rechte Bein das untätige Bein. Weil der Schwerpunkt des Roboters 21 eine Vorwärtsträgheit aufweist, stellt der Schwerpunkt des Roboters 21 das Verhalten eines umgekehrten Pendels dar, bei dem das Fußgelenk θ5 die Drehachse ist, und der Roboter bewegt sich vorwärts. Die Hüftgelenke des Roboters 21 bewegen sich ebenso mit der Bewegung des Schwerpunktes nacheinander vorwärts. Das rechte Bein (das untätige Bein) schreitet vorwärts, so dass das linke Bein bezüglich einer vertikalen Linie symmetrisch mit dem rechten Bein ist.
Als eine Folge der Laufbewegung in der Lateralrichtung, wenn das rechte Bein auf den den Boden berührenden Zustand (4) gesetzt werden soll, kippt der Roboter nach rechts, um das Unterstützungsbein von dem linken Bein zu dem rechten Bein zu wechseln, und das Fußgelenk θ10 des rechten Beins in der Vorwärtsrichtung wird frei bzw. beliebig. Weil der Schwerpunkt des Roboters 21 eine Vorwärtsträgheit aufweist, stellt der Schwerpunkt des Roboters 21 das Verhalten eines umgekehrten Pendels dar, bei dem das Fußgelenk θ10 des rechten Beins die Drehachse ist, und bewegt sich vorwärts. Die Hüftgelenke des Roboters 21 bewegen sich ebenso nacheinander mit dem Schwerpunkt vorwärts. Nachdem das den Boden berührende Bein ausgetauscht ist, schreitet das linke Bein (das untätige Bein) vorwärts, so dass das rechte Bein bezüglich der vertikalen Linie symmetrisch dem linken Bein ist, und der Roboter 21 bewegt sich zu Zustand (1).
Die wiederholte Bewegung von Zustand (1) zu Zustand (4) kann mit wenig Energie fortgesetzt werden. Wenn keine Reibung in einem drehbaren oder rotierbaren Gelenk auftritt, und kein Energieverlust mit dem ”auf den Boden setzen” des untätigen Beins auftritt, kann die wiederholte Bewegung von Zustand (1) zu Zustand (4) ohne Abschwächung wiederholt werden. Tatsächlich existiert die vorstehend genannte Reibung und der Energieverlust. Jedoch kann durch Bereitstellen eines kleinen Moments durch die Motoren für die rotierbaren Gelenke zur Kompensation der Reibung ein Zustand erreicht werden, in dem keine Reibung auftritt.
Die vorstehend genannte Bewegung des Roboters 21 innerhalb der Sagittalebene ändert sich in Abhängigkeit auf die Position des Schwerpunkts des Roboters 21. Die Position des Schwerpunkts des Roboters 21 ändert sich z. B., wenn der Rumpf nach vorne kippt. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Bewegung eines Roboters 21 innerhalb der Sagittalebene und des Kippens des Rumpfs. 9 zeigt die Bewegung von dem Zeitpunkt, wenn das linke Bein auf den Boden gesetzt wird und das rechte abgehoben wird (Zustand (2)), bis zu dem Zeitpunkt, wenn sich der Schwerpunkt des Roboters 21 nach vorne bewegt und das rechte Bein auf den Boden gesetzt wird (Zustand (4)). Die durch die gestrichelte Linie gezeigte Bewegung ist eine Bewegung, wenn der Rumpf nicht kippt, und die durch die durchgezogene Linie gezeigte Bewegung ist eine Bewegung, wenn der Rumpf kippt. Der Schwerpunkt, wenn der Torso kippt, wird durch W2 zu W4 angegeben und der Schwerpunkt, wenn der Rumpf nicht kippt, wird mit W2' zu W4' angegeben.
Je weiter der Rumpf kippt, desto weiter bewegt sich der Schwerpunkt des Roboters 21 bezüglich der Vorwärts-Laufrichtung vorwärts und nach unten. Wenn sich der Schwerpunkt vorwärts und nach unten bewegt, wird die Entfernung von dem Fußgelenk des Unterstützungsbeins zu dem Schwerpunkt während den meisten Perioden zwischen Zustand (2) und Zustand (4) verkürzt. Weil die vorstehend erwähnte Bewegung in der Sagittalebene aufgrund der freien Rotation des Fußgelenks des Unterstützungsbeins eine natürliche Bewegung erreicht, und umso kürzer der Abstand von dem Fußgelenk des Unterstützungsbeins zu dem Schwerpunkt wird, desto schneller bewegt sich der Schwerpunkt vorwärts und desto schneller bewegt sich die Spitze des untätigen Beins vorwärts. Wenn daher die Zyklusperioden der Laufbewegungen innerhalb der Lateralebene die gleichen sind, reicht der Schritt des untätigen Beins weiter, je weiter sich der Rumpf neigt, wodurch der Schritt des Roboters 21 vergrößert wird.
Durch Anwenden der vorstehend erwähnten Beziehung zwischen dem Kippen des Rumpfs und dem Schritt des Roboters 21 kann der Schritt stabilisiert werden. Der Kippwinkel γ des Rumpfes zum Erreichen des vorstehend angemerkten Schritts kann durch die chronologische Änderung in dem Fußgelenk des Unterstützungsbeins in der Vorwärtsrichtung (θ10 oder θ5) direkt, nachdem das untätige Bein den Boden berührt, die Zyklusperiode der Schrittbewegung innerhalb der Lateralebene und der Zielschritt identifiziert werden. Verbleibende Gelenkwinkel, die anders sind als das Fußgelenk des Unterstützungsbeins, werden so angepasst, um diesen Kippwinkel des Rumpfs zu erreichen.
Die Identifikation des Kippwinkels γ des Rumpfes bezüglich des Zielschritts kann durch Anwenden z. B. einer Übereinstimmungstabelle erreicht werden. Es wird ein Roboter-Lauftest durchgeführt, und die Beziehung zwischen den Winkeln der freien Gelenke, die Winkelgeschwindigkeit, die Zyklusperiode der Schrittbewegung innerhalb der Lateralebene, der Kippwinkel des Rumpfs und der unter den vorstehenden Bedingungen erhaltene Schritt werden anschließend gemessen, und eine Übereinstimmungstabelle wird produziert und in der Steuerung 22 gespeichert. Die Winkel der freien Gelenke und die Winkelgeschwindigkeit können durch Messen der chronologischen Änderungen in den Gelenkwinkeln dieser Gelenke berechnet werden. Die Zyklusperiode der Laufbewegungen innerhalb der Lateralebene können z. B. durch Messen der Zeit von dem Punkt, bei dem die Unterstützungs-A-Phase des rechten Beins zu der Unterstützungs-B-Phase des linken Beins gewechselt wird, bis zu dem Punkt, bei dem die Unterstützungs-A-Phase des linken Beins zu der Unterstützungs-B-Phase des rechten Beins umgeschaltet wird, ermittelt werden. Die Steuerung 22 wendet die Übereinstimmungstabelle an, um den Zielkippwinkel des Rumpfs aus den gemessenen Winkeln der Gelenke, der Winkelgeschwindigkeit, der Zyklusperiode der Laufbewegungen und des Zielschritts zu berechnen. Dann wird der Roboter 21 mit dem Zielkippwinkel des Rumpfs laufen, wodurch ein Laufen mit dem gewünschten Schritt erreicht wird.
Wie vorstehend angemerkt, kann der gewünschte Schritt durch Anpassen des Kippwinkels des Rumpfs zu dem Zeitpunkt angepasst werden, bei dem das untätige Bein in Kontakt mit dem Boden gebracht wird, und anschließendem Steuern der Bewegung des Roboters in der Zeitperiode, bis das neue untätige Bein in Kontakt mit dem Boden gebracht wird. Durch Steuern des Roboters 21 auf die vorstehende Weise kann der Roboter 21 damit fortfahren, mit einem stabilen Schritt zu laufen, auch wenn eine externe Störung während des Laufens auftritt.
Während Ausführungsbeispiele der gegenwärtigen Erfindung vorstehend detailliert beschrieben wurden, sind diese nur Beispiele, und schränken nicht den Umfang der Patentansprüche ein. Verschiedene Modifikationen und Änderungen der vorstehenden bestimmten Beispiele sind innerhalb des technischen Umfangs der Ansprüche eingebunden.
Zusätzlich stellen die in der gegenwärtigen Beschreibung oder den Zeichnungen beschriebenen technologischen Elemente sowohl einen eigenständischen als auch einen nur technischen Nutzen in verschiedenen Kombinationen dar, und sind nicht auf die Kombinationen der zum Zeitpunkt der Anmeldung veröffentlichten Ansprüche beschränkt. Weiterhin verwirklicht die in der gegenwärtigen Beschreibung oder den Zeichnungen dargestellte Technologie eine Vielzahl von Aufgaben, und die Erfüllung von nur einer Aufgabe von diesen stellt einen technologischen Nutzen dar.

Claims

Roboter (21) mit: einem Rumpf; mindestens zwei Beinverbindungen, wobei jede Beinverbindung drehbar über ein Hüftgelenk mit dem Rumpf verbunden ist und ein Fußgelenk besitzt; und einer Steuerung (22), die die folgenden Steueroperationen durchführt: 1) Ermöglichen einer freien Rotation des Fußgelenks einer den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung, so dass das Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung frei drehbar ist; 2) Messen von Gelenkwinkeln des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung; 3) Berechnen von Zielgelenkwinkeln von verbleibenden Gelenken des Roboters (21), die anders sind als das frei drehbare Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung, basierend auf den gemessenen Gelenkwinkeln des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung; und 4) Anpassen von Gelenkwinkeln der verbleibenden Gelenke, um gleich den entsprechenden berechneten Gelenkwinkeln zu werden, wobei eine Periode, in der eine der Beinverbindungen die den Boden berührende Beinverbindung ist, und die andere der Beinverbindungen eine untätige Beinverbindung ist, und eine Periode, in der die eine der Beinverbindungen eine untätige Beinverbindung ist, und die andere der Beinverbindung die den Boden berührende Beinverbindung ist, zyklisch wiederholt werden, damit der Roboter (21) läuft, wobei die Zielgelenkwinkel der verbleibenden Gelenke basierend auf die gemessenen Gelenkwinkel des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung unter den folgenden Bedingungen berechnet werden: a) ein Schwerpunkt des Roboters (21) bewegt sich in Richtung einer prognostizierten Bodenposition der untätigen Beinverbindung zwischen der Bodenposition der den Boden berührenden Beinverbindung und der prognostizierten Bodenposition der untätigen Beinverbindung in der Lateralrichtung, und bewegt sich in Richtung der prognostizierten Bodenposition der untätigen Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung, wenn die Gelenkwinkel der verbleibenden Gelenke angepasst werden, gleich den entsprechenden berechneten Zielgelenkwinkeln zu sein; b) wenn die untätige Beinverbindung neuerdings den Boden berührt, werden die Hüftgelenke vor der Spitze der zuvor den Boden berührenden Beinverbindung positioniert, und die Spitze der neuerdings den Boden berührenden Beinverbindung wird vor den Hüftgelenken positioniert; und c) ein Kippwinkel des Rumpfes passt sich einem Zielkippwinkel an, der basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung, einer Zyklusperiode der untätigen Beinverbindung vom Anheben bis zur Bodenberührung und einem Zielschritt der untätigen Beinverbindung bestimmt wird.
Verfahren zum Steuern eines Roboters (21) mit mindestens zwei Beinverbindungen, wobei jede Beinverbindung drehbar über ein Hüftgelenk mit dem Rumpf verbunden ist und ein Fußgelenk besitzt, das die Schritte aufweist: 1) einen Schritt zum Ermöglichen einer freien Rotation des Fußgelenks einer den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und der Vorwärtsrichtung, so dass das Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung frei drehbar ist; 2) einen Schritt zum Messen von Gelenkwinkeln des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung; 3) einen Schritt zum Berechnen von Zielgelenkwinkeln von verbleibenden Gelenken des Roboters (21), die anders sind als das frei drehbare Fußgelenk der den Boden berührenden Beinverbindung, basierend auf den gemessenen Gelenkwinkeln des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung; und 4) einen Schritt zum Anpassen von Gelenkwinkeln der verbleibenden Gelenke, um gleich den berechneten Zielgelenkwinkeln zu werden, wobei eine Periode, in der eine der Beinverbindungen die den Boden berührende Beinverbindung ist, und die andere der Beinverbindungen die untätige Beinverbindung ist, und eine Periode, in der die eine der Beinverbindungen die untätige Beinverbindung ist, und die andere der Beinverbindungen die den Boden berührende Beinverbindung ist, zyklisch wiederholt werden, damit der Roboter (21) läuft, wobei die Zielgelenkwinkel der verbleibenden Gelenke basierend auf den gemessenen Gelenkwinkeln des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Lateral- und Vorwärtsrichtung unter den folgenden Bedingungen berechnet werden: a) ein Schwerpunkt des Roboters (21) bewegt sich in Richtung einer prognostizierten Bodenposition der untätigen Beinverbindung zwischen der Bodenposition der den Boden berührenden Beinverbindung und der prognostizierten Bodenposition der untätigen Beinverbindung in der Lateralrichtung, und bewegt sich in Richtung der prognostizierten Bodenberührposition der untätigen Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung, wenn die Gelenkwinkel der verbleibenden Gelenke angepasst werden, um gleich den entsprechenden berechneten Zielgelenkwinkeln zu sein; b) wenn die untätige Beinverbindung neuerdings den Boden berührt, werden die Hüftgelenke vor der Spitze der zuvor den Boden berührenden Beinverbindung positioniert, und die Spitze der neu den Boden berührenden Beinverbindung wird vor den Hüftgelenken positioniert; und c) ein Kippwinkel des Rumpfes passt sich einem Zielkippwinkel an, der basierend auf dem gemessenen Gelenkwinkel des frei drehbaren Fußgelenks der den Boden berührenden Beinverbindung in der Vorwärtsrichtung, einer Zyklusperiode der untätigen Beinverbindung vom Anheben bis zur Bodenberührung, und einem Zielschritt der untätigen Beinverbindung bestimmt wird.