專利名稱：腿式移動機(jī)器人及其控制裝置和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過腿來移動的腿式移動機(jī)器人、控制該腿式移動機(jī)器人的腿式移動機(jī)器人控制裝置、以及腿式移動機(jī)器人控制方法。
背景技術(shù)：
以往，已知通過腿來行走或跑步(以下稱作移動)的腿式移動機(jī)器人。這樣的腿式移動機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)與人的自然交流而通常采用具有頭部、臂部、軀體部以及腿部的人型。
此外，一般的機(jī)器人特別是產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人中看到的多是組裝物品或把持物品或運(yùn)送物品的機(jī)器人。
這樣的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人多數(shù)的情況是僅由組裝物品或把持物品的臂部(稱作機(jī)器人手、機(jī)器人臂)構(gòu)成。
在日本特開2004-160594號公報中公開的‘機(jī)器人手’通過接觸傳感器、張開角度傳感器等計(jì)算把持對象物的概略形狀，從而決定把持動作。
在日本特開2004-167674號中公開的‘機(jī)器人把持控制裝置’由外力傳感器檢測作用于把持物品的機(jī)器人手的外力的值，在該外力的值變化時，減少或增加機(jī)器人手把持物品的把持力，并進(jìn)行該物品的交付。
但是，將以往公開的機(jī)器人手或機(jī)器人把持控制裝置組裝在腿式移動機(jī)器人中，不需要操作者的操作地要通過自主控制(autonomouscontrol)來使該腿式移動機(jī)器人把持物品并載置于特定的位置時，存在不能水平地保持該物品，產(chǎn)生傾斜或腿式移動機(jī)器人的姿勢走樣的問題。
特別是在要使腿式移動機(jī)器人的臂部把持物品并將該把持的物品載置于特定位置(一定高度的桌子等)上時，存在特定位置的高度受到該臂部的可伸展的范圍的制約的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明中，其目的在于提供一種解決上述問題，不需要操作者的操作而能夠?qū)⑼仁揭苿訖C(jī)器人的姿勢保持為規(guī)定的姿勢，同時能夠?qū)⑽锲份d置于減少了臂部的可伸展范圍的制約的高度的特定位置的腿式移動機(jī)器人控制裝置和腿式移動機(jī)器人，以及腿式移動機(jī)器人控制方法。
本發(fā)明提供一種腿式移動機(jī)器人控制裝置，該腿式移動機(jī)器人控制裝置對于在基體上連接了為把持物品而具有多個連桿的臂部、以及為移動而具有多個連桿的腿部的腿式移動機(jī)器人，基于與該腿式移動機(jī)器人的姿勢以及各連桿的位置有關(guān)的姿勢位置數(shù)據(jù)和與作用于所述臂部的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，該腿式移動機(jī)器人控制裝置包括數(shù)據(jù)取得單元，其取得所述姿勢位置數(shù)據(jù)和所述外力數(shù)據(jù)；全身協(xié)調(diào)控制單元，其基于由該數(shù)據(jù)取得單元取得的所述姿勢位置數(shù)據(jù)，在將由所述臂部把持的物品載置于預(yù)先指定的指定位置時，根據(jù)所述臂部的動作來控制所述腿部的動作；以及載置判定單元，其根據(jù)由所述數(shù)據(jù)取得單元取得的外力數(shù)據(jù)，判定所述物品通過該全身協(xié)調(diào)控制單元的動作而被載置于所述指定位置的情況。
本發(fā)明的所述腿式移動機(jī)器人控制裝置的特征在于，其中的所述全身協(xié)調(diào)控制單元在降低所述臂部的位置或伸展所述臂部時，在由所述載置判定單元判定為所述物品未被載置于所述指定位置的情況下，使所述腿部的各連桿相互連接的部分彎曲。
進(jìn)而，本發(fā)明提供一種腿式移動機(jī)器人控制裝置，該腿式移動機(jī)器人控制裝置對于在基體上連接了為把持物品而具有多個連桿的臂部、以及為移動而具有多個連桿的腿部的腿式移動機(jī)器人，基于與該腿式移動機(jī)器人的姿勢以及各連桿的位置有關(guān)的姿勢位置數(shù)據(jù)和與作用于所述臂部的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，該腿式移動機(jī)器人控制裝置包括數(shù)據(jù)取得單元，其取得所述姿勢位置數(shù)據(jù)和所述外力數(shù)據(jù)；全身協(xié)調(diào)控制單元，其在基于由該數(shù)據(jù)取得單元取得的所述姿勢位置數(shù)據(jù)、將由所述臂部把持的物品載置于預(yù)先指定的指定位置時，控制所述臂部的動作和所述腿部的動作，使得在將所述臂部以及所述腿部的部位或所述連桿的可動位置作為頂點(diǎn)連接而成的多面體中、對于所述多面體的部分頂點(diǎn)的動作、由其他頂點(diǎn)的動作來進(jìn)行補(bǔ)償；以及載置判定單元，其根據(jù)由所述數(shù)據(jù)取得單元取得的外力數(shù)據(jù)，判定所述物品通過該全身協(xié)調(diào)控制單元的動作而被載置于所述指定位置的情況。
本發(fā)明的所述腿式移動機(jī)器人控制裝置的特征在于，其中的所述多面體的頂點(diǎn)至少由下述位置構(gòu)成作為所述臂部的部位的指尖位置、連接所述臂部和所述基體的連桿的可動位置、連接所述腿部和所述基體的連桿的可動位置、以及作為所述腿部的部位的腳后根位置或膝蓋位置。
進(jìn)而，本發(fā)明提供具有上述的腿式移動機(jī)器人控制裝置的腿式移動機(jī)器人和上述的腿式移動機(jī)器人控制裝置的控制方法。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的腿式移動機(jī)器人的外觀的側(cè)視圖。
圖2是示意地表示圖1所示的腿式移動機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖3是表示圖1所示的腿式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖4是圖3所示的腿式移動機(jī)器人控制裝置的方框圖。
圖5是表示圖1所示的腿式移動機(jī)器人的整體動作的概略的流程圖。
圖6是表示圖5所示的腿式移動機(jī)器人的整體動作中的載置動作的細(xì)節(jié)的流程圖。
圖7是示意地表示腿式移動機(jī)器人的移動、載置動作以及返回動作的概略的圖。
圖8A-8C是具體說明對多面體的頂點(diǎn)突出進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ膱D。
圖9A、9B是將有腿式移動機(jī)器人控制裝置的控制的情況和沒有控制的情況進(jìn)行比較表示的圖(關(guān)于作業(yè)區(qū)域的確保)。
圖10A-10D是將有腿式移動機(jī)器人控制裝置的控制的情況和沒有控制的情況進(jìn)行比較表示的圖(關(guān)于手臂的柔性控制、手腕可動角的補(bǔ)償)。
圖11A、11B是將有腿式移動機(jī)器人控制裝置的控制的情況和沒有控制的情況進(jìn)行比較表示的圖(關(guān)于具體的作業(yè)范圍)。
圖12是圖11所示的作業(yè)范圍的平面圖。
具體實(shí)施例方式
接著，適當(dāng)參照附圖來詳細(xì)地說明本實(shí)施方式。
在該實(shí)施方式的說明中，首先說明腿式移動機(jī)器人的概略、驅(qū)動構(gòu)造以及結(jié)構(gòu)，接著說明腿式移動機(jī)器人控制裝置的結(jié)構(gòu)。然后，說明腿式移動機(jī)器人的從物品的接受到載置的整體動作，接著說明腿式移動機(jī)器人載置物品時的詳細(xì)的動作。
(腿式移動機(jī)器人的概略)圖1是表示腿式移動機(jī)器人的整體的示意圖。
如該圖1所示，腿式移動機(jī)器人R是自主移動型的雙腳移動機(jī)器人，與人同樣，通過兩個腿部R1(僅圖示一個)站立、移動(走路、跑步等)，具有上體部(基體)R2、兩個臂部R3(僅圖示一個)以及頭部R4，自主進(jìn)行移動。此外，腿式移動機(jī)器人R以背負(fù)的形式在后背(上體部R2的后部)具有控制裝置搭載部R5，該控制裝置搭載部R5控制這些腿部R1、上體部R2、臂部R3以及頭部R4的動作。在以下的說明中，腿式移動機(jī)器人R的前后方向取X軸，左右方向取Y軸，上下方向取Z軸。
(腿式移動機(jī)器人的驅(qū)動構(gòu)造)接著說明腿式移動機(jī)器人R的驅(qū)動構(gòu)造。圖2是示意地表示圖1所示的腿式移動機(jī)器人R的驅(qū)動構(gòu)造的立體圖。另外，圖2中的關(guān)節(jié)部通過驅(qū)動該關(guān)節(jié)部的電機(jī)表示。
(腿部R1)如圖2所示，左右各個腿部R1包括6個關(guān)節(jié)部11R(L)～16R(L)(以下，將右側(cè)設(shè)為R，左側(cè)設(shè)為L。且，有時還不加以R，L。)。左右共12個關(guān)節(jié)由如下部分構(gòu)成胯部(腿部R1和上體部R2的連接部分)的腿部旋轉(zhuǎn)用(圍繞Z軸)的胯關(guān)節(jié)部11R、11L、圍繞胯部的仰俯(pitch)軸(Y軸)的胯關(guān)節(jié)部12R、12L、圍繞胯部的搖擺(roll)軸(X軸)的胯關(guān)節(jié)部13R、13L、圍繞膝部的仰俯軸(Y軸)的膝關(guān)節(jié)部14R、14L、圍繞腳踝的仰俯軸(Y軸)的踝關(guān)節(jié)部15R、15L、以及圍繞腳踝的搖擺軸(X軸)的踝關(guān)節(jié)部16R、16L。而且，在腿部R1下方安裝有腳部17R、17L。
即，腿部R1包括胯關(guān)節(jié)部11R(L)、12R(L)、13R(L)，膝關(guān)節(jié)部14R(L)以及踝關(guān)節(jié)部15R(L)、16R(L)?？桕P(guān)節(jié)部11R(L)～13R(L)和膝關(guān)節(jié)部14R(L)由大腿連桿51R、51L連接，膝關(guān)節(jié)部14R(L)和踝關(guān)節(jié)部15R(L)、16R(L)由小腿連桿52R、52L連接。
(上體部R2)如圖2所示，上體部R2是腿式移動機(jī)器人R的基體部分，與腿部R1、臂部R3以及頭部R4連接。即，上體部R2(上體連桿53)經(jīng)由胯關(guān)節(jié)部11R(L)～13R(L)與腿部R1連接。此外，上體部R2經(jīng)由后述的肩關(guān)節(jié)部31R(L)～33R(L)與臂部R3連接。此外，上體部R2經(jīng)由后述的頸關(guān)節(jié)部41、42與頭部R4連接。此外，上體部R2具有上體旋轉(zhuǎn)用(圍繞Z軸)的關(guān)節(jié)部21。
(臂部R3)如圖2所示，左右各個臂部R3具有7個關(guān)節(jié)部31R(L)～37R(L)。左右共14個關(guān)節(jié)部由圍繞肩部(臂部R3和上體部R2的連接部分)的仰俯軸(Y軸)的肩關(guān)節(jié)部31R、31L、圍繞肩部的搖擺軸(X軸)的肩關(guān)節(jié)部32R、32L、臂部旋轉(zhuǎn)用(圍繞Z軸)的肩關(guān)節(jié)部33R、33L、圍繞肘部的仰俯軸(Y軸)的肘關(guān)節(jié)部34R、34L、手腕旋轉(zhuǎn)用(圍繞Z軸)的臂關(guān)節(jié)部35R、35L、圍繞手腕的仰俯軸(Y軸)的手腕關(guān)節(jié)部36R、36L以及圍繞手腕的搖擺軸(X軸)的手腕關(guān)節(jié)部37R、37L構(gòu)成。而且，在臂部R3的前端安裝有把持部(手)71R、71L。
即，臂部R3包括肩關(guān)節(jié)部31R(L)、32R(L)、33R(L)、肘關(guān)節(jié)部34R(L)、臂關(guān)節(jié)部35R(L)以及手腕關(guān)節(jié)部36R(L)、37R(L)。肩關(guān)節(jié)部31R(L)～33R(L)和肘關(guān)節(jié)部34R(L)通過上臂連桿54R(L)連接，肘關(guān)節(jié)部34R(L)和手腕關(guān)節(jié)部36R(L)、37R(L)通過下臂連桿55R(L)連接。
(頭部R4)如圖2所示，頭部R4包括圍繞頸部(頭部R4和上體部R2的連接部分)的Y軸的頸關(guān)節(jié)部41、圍繞頸部的Z軸的頸關(guān)節(jié)部42。頸關(guān)節(jié)部41用于設(shè)定頭部R4的傾斜角，頸關(guān)節(jié)部42用于設(shè)定頭部R4的平面。
通過這樣的結(jié)構(gòu)，左右的腿部R1提供合計(jì)12個自由度，通過在移動中以適當(dāng)?shù)慕嵌闰?qū)動12個關(guān)節(jié)部11R(L)～16R(L)，可以對腿部R1提供所期望的動作，機(jī)器人R能夠任意地在三維空間中移動。此外，左右的臂部R3提供合計(jì)14個自由度，通過以適當(dāng)?shù)慕嵌闰?qū)動14個關(guān)節(jié)部31R(L)～37R(L)，腿式移動機(jī)器人R能夠進(jìn)行所期望的作業(yè)。
此外，踝關(guān)節(jié)部15R(L)、16R(L)和腳部17R(L)之間設(shè)有公知的6軸力傳感器61R(L)。6軸力傳感器61R(L)檢測從地面對腿式移動機(jī)器人R作用的地面反作用力的三個方向分量Fx、Fy、Fz和力矩的三個方向分量Mx、My、Mz。
此外，手腕關(guān)節(jié)部36R(L)、37R(L)和把持部71R(L)之間設(shè)有公知的6軸力傳感器62R(L)。6軸力傳感器62R(L)檢測作用于腿式移動機(jī)器人R的把持部71R(L)的反作用力的三個方向分量Fx、Fy、Fz和力矩的三個方向分量Mx、My、Mz。
此外，在上體部R2設(shè)有傾斜傳感器63。傾斜傳感器63檢測對于上體部R2的重力軸(Z軸)的斜率和其角速度。
此外，各關(guān)節(jié)部的電機(jī)通過對其輸出進(jìn)行減速、增力的減速器(未圖示)使所述大腿連桿51R(L)、小腿連桿52R(L)等相對位移。這些各關(guān)節(jié)部的角度由關(guān)節(jié)角度檢測單元(例如，回轉(zhuǎn)式編碼器)檢測。
控制裝置搭載部R5容納有后述的自主移動控制部150、把持部控制部160、無線通信部170、主控制部200、電池(未圖示)等。各傳感器61～63等的檢測數(shù)據(jù)被傳送到控制裝置搭載部R5內(nèi)的各控制部以及后述的腿式移動機(jī)器人控制裝置1。此外，各電機(jī)由來自各控制部的驅(qū)動指示信號驅(qū)動。
(腿式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu))圖3是表示圖1所示的腿式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的方框圖。如圖3所示，腿式移動機(jī)器人R除了腿部R1、臂部R3以及頭部R4之外，還包括照相機(jī)C、C、揚(yáng)聲器S、傳聲器MC、MC、圖像處理部100、聲音處理部110、對象檢測部120、自主移動控制部150、把持部控制部160、無線通信部170、主控制部200、存儲部300以及腿式移動機(jī)器人控制裝置1。
此外，腿式移動機(jī)器人R包括陀螺儀傳感器SR1以及GPS接收器SR2。陀螺儀傳感器SR1檢測與腿式移動機(jī)器人R的朝向有關(guān)的數(shù)據(jù)(朝向數(shù)據(jù))。此外，GPS接收器SR2檢測與腿式移動機(jī)器人R的位置有關(guān)的數(shù)據(jù)(位置數(shù)據(jù))。陀螺儀傳感器SR1以及GPS接收器SR2檢測出的數(shù)據(jù)被輸出到主控制部200，用于決定腿式移動機(jī)器人R的行動。
照相機(jī)C、C可以將圖像作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)取入，例如使用彩色CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合裝置)照相機(jī)。照相機(jī)C、C左右平行地排列配置，所拍攝的圖像被輸出到圖像處理部100。該照相機(jī)C、C和揚(yáng)聲器S以及傳聲器MC、MC都配置在頭部R4的內(nèi)部。
圖像處理部100對照相機(jī)C、C拍攝的圖像進(jìn)行處理，根據(jù)拍攝的圖像掌握腿式移動機(jī)器人R的周圍狀況，因此是進(jìn)行周圍的障礙物或人物的識別的部分。該圖像處理部100包括立體處理部101、移動體提取部102以及臉識別部103。
立體處理部101以左右的照相機(jī)C、C拍攝的兩個圖像的一個作為基準(zhǔn)進(jìn)行圖形匹配，計(jì)算左右的圖像中的對應(yīng)的各像素的視差而生成視差圖像，并對移動體提取部102輸出所生成的視差圖像以及原來的圖像。另外，該視差表示從腿式移動機(jī)器人R到所拍攝的物體的距離。
移動體提取部102基于從立體處理部101輸出的數(shù)據(jù)，提取拍攝的圖像中的移動體。提取移動的物體(移動體)是為了推定移動的物體為人物而進(jìn)行人物的識別。
為了進(jìn)行移動體的提取，移動體提取部102存儲過去的幾幀(畫面)圖像，比較最新的幀(圖像)和過去的幀(圖像)，進(jìn)行圖形匹配，計(jì)算各像素的移動量，并生成移動量圖像。然后，根據(jù)視差圖像和移動量圖像，在離照相機(jī)C、C規(guī)定的距離范圍內(nèi)，存在移動量多的像素的情況下，推定為在該位置存在人物，基于僅是該規(guī)定距離范圍的視差圖像來提取移動體，并對臉識別部103輸出移動體的圖像。
此外，移動體提取部102計(jì)算提取出的移動體的高度即身高，輸出到臉識別部103。即，移動體提取部102可以確定人相對于腿式移動機(jī)器人R的位置，此外，可以計(jì)算人的身高。
臉識別部103從提取出的移動體提取膚色的部分，根據(jù)其大小、形狀等識別臉的位置。另外，同樣也根據(jù)膚色的區(qū)域和大小、形狀等來識別手的位置。
識別出的臉的位置作為腿式移動機(jī)器人R移動時的信息而且為了取得與該人之間的通訊而被輸出到主控制部200，同時被輸出到無線通信部170，并被發(fā)送到基站2(對于腿式移動機(jī)器人R進(jìn)行無線通信之處)。
揚(yáng)聲器S基于由后述的聲音合成部111生成的聲音數(shù)據(jù)輸出聲音。
傳聲器MC、MC用于收集腿式移動機(jī)器人R的周圍的聲音。被收集的聲音被輸出到后述的聲音識別部112以及音源定位部113。
聲音處理部110包括聲音合成部111、聲音識別部112以及音源定位部113。
聲音合成部111是基于主控制部200決定并輸出的講話行動的指令，根據(jù)文字信息生成聲音數(shù)據(jù)，并對揚(yáng)聲器S輸出聲音的部分。聲音數(shù)據(jù)的生成利用預(yù)先存儲的文字信息和聲音數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系。
聲音識別部112從傳聲器MC、MC輸入聲音數(shù)據(jù)，基于預(yù)先存儲的聲音數(shù)據(jù)和文字信息的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)聲音數(shù)據(jù)生成文字信息，并輸出到主控制部200。
音源定位部113基于傳聲器MC、MC之間的聲壓差以及聲音的到達(dá)時間差，確定音源的位置(離腿式移動機(jī)器人R的距離以及方向)。
對象檢測部120檢測在腿式移動機(jī)器人R的周圍是否存在具有檢測用標(biāo)簽(未圖示)的檢測對象(未圖示)，同時在檢測到檢測對象的存在的情況下，確定該檢測對象的位置。
自主移動控制部150包括頭部控制部151、臂部控制部152以及腿部控制部153。
頭部控制部151按照主控制部200的指示驅(qū)動頭部R4，臂部控制部152按照主控制部200的指示驅(qū)動臂部R3，腿部控制部153按照主控制部200的指示驅(qū)動腿部R1。
把持部控制部160按照主控制部200的指示驅(qū)動把持部71。把持部71由一對把持部71R、71L(參照圖2)構(gòu)成，這一對把持部71R、71L被鏡面對稱地配置。
此外，該把持部71上設(shè)有檢測作用于該把持部71的外力的外力檢測單元(未圖示)。作為該外力檢測單元，這里，采用6軸力傳感器。該6軸力傳感器也可檢測外力的方向，所以能夠分別檢測從物品作用于把持部71的外力中X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力Fz。
無線通信部170連接到基站2上，是與進(jìn)行腿式移動機(jī)器人的管理的機(jī)器人管理裝置4進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的通信裝置。無線通信部170包括公共線路通信裝置171以及無線通信裝置172。
公共線路通信裝置171是利用攜帶電話線路或PHS(PersonalHandyphone System，個人手機(jī)系統(tǒng))線路等公共線路的無線通信單元。另一方面，無線通信裝置172是符合IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線LAN等近距離無線通信的無線通信單元。
無線通信部170按照來自機(jī)器人管理裝置4(進(jìn)行腿式移動機(jī)器人R的管理之處)的連接要求，選擇公共線路通信裝置171或無線通信裝置172來與機(jī)器人管理裝置4進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
主控制部200基于從陀螺儀傳感器SR1、GPS接收器SR2、圖像處理部100、聲音處理部110、對象檢測部120、自主移動控制部150、把持部控制部160、無線通信部170、存儲部300以及腿式移動機(jī)器人控制裝置1輸入的各種信號、數(shù)據(jù)，主管腿式移動機(jī)器人R的全部控制。另外，在該實(shí)施方式中，主控制部200和腿式移動機(jī)器人控制裝置1單獨(dú)構(gòu)成，但腿式移動機(jī)器人控制裝置1的各控制單元也可以被組裝在該主控制部200中。
存儲部300由一般的存儲介質(zhì)構(gòu)成，存儲了人數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、物品數(shù)據(jù)、講話數(shù)據(jù)。
人數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)了與腿式移動機(jī)器人R移動的范圍(移動區(qū)域)中存在的人有關(guān)的數(shù)據(jù)(人數(shù)據(jù))。例如，作為人數(shù)據(jù)，包含與人識別號(ID)、姓名、所屬、標(biāo)簽識別號、通常所在處、桌子位置、臉圖像等有關(guān)的數(shù)據(jù)。
地圖數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)了與腿式移動機(jī)器人R移動的范圍(移動區(qū)域)的地圖有關(guān)的數(shù)據(jù)。例如，作為地圖數(shù)據(jù)，包含與移動區(qū)域的地形、墻位置、桌子位置等有關(guān)的數(shù)據(jù)。
物品數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)了與腿式移動機(jī)器人R運(yùn)送的物品有關(guān)的數(shù)據(jù)。例如，作為物品數(shù)據(jù)，包含有與物品識別號、物品的名稱、大小、重量等有關(guān)的數(shù)據(jù)。
講話數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)了用于腿式移動機(jī)器人R講話的數(shù)據(jù)。例如，作為講話數(shù)據(jù)，包含與日常會話中的問候等有關(guān)的聲音波形數(shù)據(jù)。
(腿式移動機(jī)器人控制裝置的結(jié)構(gòu))接著，參照圖4說明腿式移動機(jī)器人控制裝置的結(jié)構(gòu)(適當(dāng)參照圖2、圖3)。圖4是腿式移動機(jī)器人控制裝置1的方框圖，如該圖4所示，腿式移動機(jī)器人控制裝置1用于在腿式移動機(jī)器人R的各種動作中控制載置由臂部R3(把持部71R(L))把持的物品(物)時的動作，包括數(shù)據(jù)取得單元3、全身協(xié)調(diào)控制單元5、載置判定單元7。
另外，在該實(shí)施方式中，作為腿式移動機(jī)器人R把持的物品，假設(shè)載置了杯子或玻璃等的托盤(盤)，作為載置該托盤的指定位置，假設(shè)一般的桌子。而且，如果該桌子的高度具有規(guī)定范圍內(nèi)的高度，則該腿式移動機(jī)器人控制裝置1通過腿式移動機(jī)器人R能夠進(jìn)行將托盤水平地載置到桌子上的動作，所謂盤放置動作。
而且，本發(fā)明的實(shí)施方式的腿式移動機(jī)器人控制裝置1在進(jìn)行該盤放置動作時，可以使腿式移動機(jī)器人R在直立地伸展臂部R3的狀態(tài)下將托盤載置于固定了高度的桌子上，不僅如此，在即使在桌子的高度變低的情況下(限于規(guī)定范圍內(nèi))，也能夠協(xié)調(diào)控制腿式移動機(jī)器人R的全身的連桿，從而進(jìn)行載置托盤的動作。
數(shù)據(jù)取得單元3取得腿式移動機(jī)器人R把持物品移動并達(dá)到要載置該物品的目的地(例如，桌子前)時的與該腿式移動機(jī)器人R的姿勢和各連桿的位置有關(guān)的姿勢位置數(shù)據(jù)和與對臂部R3的前端(指尖)施加的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)，包括姿勢控制輸入單元3a、當(dāng)前手腕姿勢取得單元3b、指尖目標(biāo)位置輸入單元3c、位置柔性輸入單元3d、二階濾波器3e。
姿勢控制輸入單元3a通過輸入腿式移動機(jī)器人R的肩即肩關(guān)節(jié)部31R～33R的姿勢位置數(shù)據(jù)和腰即胯部(腿部R1和上體部R2的連接部分)的姿勢位置數(shù)據(jù)，輸入肩和腰的相對的位置關(guān)系。
當(dāng)前手腕姿勢取得單元3b從自主移動控制部150的臂部控制部152取得當(dāng)前的手腕的姿勢。當(dāng)前的手腕的姿勢由用于旋轉(zhuǎn)手腕的臂關(guān)節(jié)部35R、35L、圍繞手腕的仰俯軸(Y軸)的手腕關(guān)節(jié)部36R、36L以及圍繞手腕的搖擺軸(X軸)的手腕關(guān)節(jié)部37R、37L各自的角度而決定。
指尖目標(biāo)位置輸入單元3c用于輸入腿式移動機(jī)器人R的臂部R3的前端(指尖)的目標(biāo)值。指尖的目標(biāo)值由以踝關(guān)節(jié)部16R和踝關(guān)節(jié)部16L的中點(diǎn)位置為基準(zhǔn)的情況下的把持部71R(L)的位置(指尖位置)來決定。
位置柔性輸入單元3d用于輸入與作用于把持部71R(L)的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)(柔性輸入值)。由于該外力數(shù)據(jù)在把持部71R(L)接觸到某物體時增加，所以根據(jù)該輸入的外力數(shù)據(jù)是否增加，能夠判定由臂部R3的把持部71R(L)把持的物品被載置于指定位置(桌子的上面)的情況(把持部71R(L)接觸到桌子上面的情況)。
二階濾波器3e用于將從位置柔性輸入單元3d輸入的外力數(shù)據(jù)分為臂部R3的響應(yīng)頻率和腰即胯部(腿部R1和上體部R2的連接部分)的響應(yīng)頻率的濾波器。
全身協(xié)調(diào)控制單元5基于由數(shù)據(jù)取得單元3取得的姿勢位置數(shù)據(jù)(各部分的位置)以及外力數(shù)據(jù)(柔性輸入值)，在腿式移動機(jī)器人R載置物品時進(jìn)行控制以協(xié)調(diào)各部分(各連桿)，包括腰控制校正量計(jì)算單元5a、手腕姿勢校正量計(jì)算單元5b、位置偏差比較單元5c、雅可比矩陣(JacobianMatrix)制作單元5d、各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5e、各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5f、各軸校正量總計(jì)單元5g、一階延遲濾波器5h、積分運(yùn)算單元5i、肘角度控制運(yùn)算單元5j、積分運(yùn)算單元5k、正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算單元5l、平衡校正量計(jì)算單元5m。
另外，通過基于由數(shù)據(jù)取得單元3取得的姿勢位置數(shù)據(jù)，對于特定的動作(例如，盤放置動作、搖擺臂部R3的問候動作等)，按照腿式移動機(jī)器人R的姿勢的一系列變化被預(yù)先設(shè)定的信息即全身計(jì)劃輸出對各連桿的指令值，從而實(shí)現(xiàn)該全身協(xié)調(diào)控制單元5對各部分(各連桿)進(jìn)行協(xié)調(diào)的控制。對各部分(各連桿)進(jìn)行協(xié)調(diào)的控制由于是對腿式移動機(jī)器人R的全身姿勢(posture)進(jìn)行控制，所以被稱作所謂姿勢控制。
而且，在該姿勢控制中，將各部分的位置或各連桿的可動位置作為頂點(diǎn)連接而形成多面體，在該多面體的一對頂點(diǎn)突出的情況下，使位于與該一對頂點(diǎn)的對角處的另一對頂點(diǎn)也突出，以多面體的頂點(diǎn)的突出互相得到補(bǔ)償，從而維持平衡，腿式移動機(jī)器人控制裝置1以上述方式對各連桿輸出指令值。
在此，參照圖8A-圖8C來具體說明對該多面體的頂點(diǎn)突出進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br> 將左右的作為臂部R3的部位的指尖的位置、連接臂部R3和基體R2的連桿的可動位置(即肩關(guān)節(jié)部)、連接腿部R1和基體R2的連桿的可動位置(即胯關(guān)節(jié)部)、作為腿部R1的部位的腳后根位置或膝蓋位置作為頂點(diǎn)，形成圖8A所示的多面體。
此處，通過連接右側(cè)的指尖的位置、連接臂部R3和基體R1的連桿的可動位置、連接腿部R1和基體R2的連桿的可動位置、作為腿部R1的部位的腳后跟的位置或膝蓋的位置所對應(yīng)的頂點(diǎn)來形成多面體的第一側(cè)面，而且，通過連接左側(cè)的指尖的位置、連接臂部R3和基體R1的連桿的可動位置、連接腿部R1和基體R2的連桿的可動位置、作為腿部R1的部位的腳后跟的位置或膝蓋的位置所對應(yīng)的頂點(diǎn)來在與前述的側(cè)面對置的位置形成第二側(cè)面(參照圖8A的陰影部分)。從而，根據(jù)腿式移動機(jī)器人R的姿勢或連桿的位置的變化，兩個對置的側(cè)面的形狀相同地發(fā)生變化。
圖8B和圖8C是從腿式移動機(jī)器人R的行進(jìn)方向右側(cè)看到圖8A的側(cè)視圖，即，從右面?zhèn)瓤吹剿龆嗝骟w時的圖。
此處，該多面體的一對頂點(diǎn)突出時，該一對的對置頂點(diǎn)的對角處的另一對頂點(diǎn)也突出。具體講，以后述的移動結(jié)束后(到達(dá)指定位置的指尖位置后)的姿勢作為基準(zhǔn)姿勢(基準(zhǔn)多面體，參照圖8B)，例如，將把持的部件載置于指定位置時、指尖的位置(第一對頂點(diǎn)，參照圖8A的‘a(chǎn)’)從基準(zhǔn)姿勢突出(延伸)的情況下，指尖的位置的對角處的胯關(guān)節(jié)部的位置(第二對頂點(diǎn)，參照圖8A的‘b’)也從基準(zhǔn)姿勢(基準(zhǔn)多面體)突出(參照圖8C)。這樣，可通過相互補(bǔ)償該多面體的頂點(diǎn)的突出來取得平衡。
腰控制校正量計(jì)算單元5a基于從數(shù)據(jù)取得單元3的姿勢控制輸入單元3a輸入的肩關(guān)節(jié)部31R～33R的姿勢位置數(shù)據(jù)以及胯部(腿部R1和上體部R2的連接部分)的姿勢位置數(shù)據(jù)(肩和腰的位置關(guān)系)、正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算單元51計(jì)算出的系數(shù)(詳細(xì)在后面敘述)，計(jì)算對腰位置(胯部的位置)進(jìn)行校正的校正量(腰位置校正量)。
手腕姿勢校正量計(jì)算單元5b基于數(shù)據(jù)取得單元3的當(dāng)前手腕姿勢取得單元3b取得的當(dāng)前的手腕姿勢，即臂關(guān)節(jié)部35R、35L、手腕關(guān)節(jié)部36R、36L、手腕關(guān)節(jié)部37R、37L各自的角度，計(jì)算對手腕姿勢進(jìn)行校正(將物品保持為水平)的校正量(手腕角度校正量)。
另外，在該手腕姿勢校正量計(jì)算單元5b中，計(jì)算手腕角度校正量以不使臂關(guān)節(jié)部35R、35L、手腕關(guān)節(jié)部36R、36L、手腕關(guān)節(jié)部37R、37L各自的角度達(dá)到極限(為避免極限)。換言之，這里，為了改變臂部R3的肘的高度，并改變雙臂的手腕(手腕關(guān)節(jié)部36R、36L、手腕關(guān)節(jié)部37R、37L)形成的面，計(jì)算手腕角度校正量。
位置偏差比較單元5c對由指尖目標(biāo)位置輸入單元3c輸入的指尖的目標(biāo)值和由正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算單元51輸入的當(dāng)前的指尖位置進(jìn)行比較。該比較通過從指尖的目標(biāo)值減去當(dāng)前的指尖位置來進(jìn)行，相減的結(jié)果(位置偏差)被輸出到各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5f。
雅可比矩陣制作單元5d基于由腰控制校正量計(jì)算單元5a計(jì)算的腰位置校正量、由正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算單元51計(jì)算的系數(shù)、由平衡校正量計(jì)算單元5m計(jì)算的平衡校正量(詳細(xì)后面敘述)，制作與各連桿中包含的各軸的移動容易度對應(yīng)的雅可比矩陣J。
各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5e基于由手腕姿勢校正量計(jì)算單元5b計(jì)算的手腕角度校正量和由雅可比矩陣制作單元5d制作的雅可比矩陣J，計(jì)算對臂部R3(除了把持部71)的各軸目標(biāo)值(對各連桿的指令值)。
各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5f基于從位置偏差比較單元5c輸出的位置偏差和由各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5e計(jì)算出的對臂部R3的各軸目標(biāo)值，計(jì)算對把持部71的各軸目標(biāo)值。
另外，在這些各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5e以及各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5f中，將輸入的數(shù)據(jù)(手腕角度校正量、位置偏差等)設(shè)為x，將各軸目標(biāo)值設(shè)為θ時，使用下面表示的算式(1)來計(jì)算該各軸目標(biāo)值θ。
deltaθ＝inv(J)*delta x …算式(1)在該算式(1)中，inv(J)是利用了雅可比矩陣J的函數(shù)。另外，詳細(xì)地說，是使用了J*＝W-1JT(kI+JW-1JT)-1的雅可比矩陣。
各軸校正量總計(jì)單元5g基于由雅可比矩陣制作單元5d制作的雅可比矩陣、由各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5e計(jì)算的對臂部R3的各軸目標(biāo)值、由各軸目標(biāo)值計(jì)算單元5f計(jì)算的對把持部71的各軸目標(biāo)值，對各軸的校正量進(jìn)行總計(jì)，同時根據(jù)總計(jì)的結(jié)果對每個軸運(yùn)算各軸目標(biāo)值。換言之，通過該各軸校正量總計(jì)單元5g，根據(jù)由指尖目標(biāo)位置輸入單元3c輸入的目標(biāo)值(目標(biāo)位置姿勢輸入)、由當(dāng)前手腕姿勢取得單元3b取得的當(dāng)前的手腕的姿勢(手腕姿勢輸入)、由姿勢控制輸入單元3a輸入的肩和腰的相對的位置關(guān)系(突出補(bǔ)償輸入)，運(yùn)算各軸目標(biāo)值。
一階延遲濾波器5h是用于平滑由各軸校正量總計(jì)單元5g運(yùn)算的每個軸的各軸目標(biāo)值的輸出的濾波器，用于對各軸目標(biāo)值乘以傳遞函數(shù)(1/Ts+1(T時間常數(shù)，s微分算子))。另外，將各軸目標(biāo)值的輸出延遲的理由是為了使腿式移動機(jī)器人R的上體的移動的特性和對于該機(jī)器人的動作預(yù)先設(shè)定的模型特性適合。
積分運(yùn)算單元5i對由一階延遲濾波器5h乘以了傳遞函數(shù)的各軸目標(biāo)值施加積分運(yùn)算。然后，該積分運(yùn)算單元5i運(yùn)算的結(jié)果被輸出到平衡校正量計(jì)算單元5m，同時經(jīng)由主控制部200被輸出到自主移動控制部150的腿部控制部153，反映到腿式移動機(jī)器人R的動作上。
肘角度控制運(yùn)算單元5j基于由各軸校正量總計(jì)單元5g運(yùn)算的每個軸的各軸目標(biāo)值，運(yùn)算肘角度目標(biāo)值，并根據(jù)該肘角度目標(biāo)值運(yùn)算用于校正肩角度的肩角度校正量。肘角度目標(biāo)值為設(shè)定圍繞肘部的仰俯軸(Y軸)的肘關(guān)節(jié)部34R、34L的角度而使用，肩角度校正量是用于校正圍繞肩部(臂部R3和上體部R2的連接部分)的仰俯軸(Y軸)的肩關(guān)節(jié)部31R、31L、圍繞肩部的搖擺軸(X軸)的肩關(guān)節(jié)部32R、32L以及臂部旋轉(zhuǎn)用(圍繞Z軸)的肩關(guān)節(jié)部33R、33L的角度的校正量。
積分運(yùn)算單元5k用于對由肘角度控制運(yùn)算單元5j運(yùn)算的肩角度校正量施加積分運(yùn)算。然后，由該積分運(yùn)算單元5k運(yùn)算的結(jié)果被輸出到平衡校正量計(jì)算單元5m，同時經(jīng)由主控制部200被輸出到自主移動控制部150的臂部控制部152，反映到腿式移動機(jī)器人R的動作上。
另外，在積分運(yùn)算單元5i以及積分運(yùn)算單元5k中，將當(dāng)前(動作前)的狀態(tài)設(shè)為state(n-1)，將微小時間中的狀態(tài)的變化量設(shè)為delta(n-1)，將動作后的狀態(tài)設(shè)為state(n)時，使用以下表示的算式(2)計(jì)算該動作后的狀態(tài)state(n)。
state(n)＝state(n-1)+delta(n-1) …算式(2)正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算單元51基于由積分運(yùn)算單元5k運(yùn)算的結(jié)果和由平衡校正量計(jì)算單元5m計(jì)算的平衡校正量，計(jì)算對于在各部分(各連桿)中，形成各關(guān)節(jié)的角度而連接關(guān)節(jié)間的線段進(jìn)行坐標(biāo)變換用的系數(shù)。換言之，通過該系數(shù)可以將腿式移動機(jī)器人R的連桿之間置換為規(guī)定的線段。
平衡校正量計(jì)算單元5m基于由積分運(yùn)算單元5i運(yùn)算的結(jié)果計(jì)算平衡校正量。平衡校正量用于補(bǔ)償上體部R2和腿部R1的重心移動量，即腿式移動機(jī)器人R通過伸展臂部R3而產(chǎn)生的上半身動作引起的力矩。
由于載置判定單元7基于由位置柔性輸入單元3d輸入的與作用于把持部71R(L)的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)(柔性輸入值)，判定物品是否被載置于指定位置，所以具有判定單元7a。
判定單元7a用于判定外力數(shù)據(jù)是否超過了預(yù)先設(shè)定的規(guī)定值。腿式移動機(jī)器人控制裝置1直到通過該判定單元7a判定為外力數(shù)據(jù)超過了規(guī)定值為止，控制物品的載置動作，使得繼續(xù)進(jìn)行伸展腿式移動機(jī)器人R的臂部R3或彎曲腿部R1的動作，在判定為外力數(shù)據(jù)超過了規(guī)定值的情況下，認(rèn)為物品的載置動作完成，并進(jìn)行控制，以使腿式移動機(jī)器人R返回到原來的姿勢(后述的返回動作)。
根據(jù)這樣構(gòu)成的腿式移動機(jī)器人控制裝置1，基于由數(shù)據(jù)取得單元3取得的姿勢位置數(shù)據(jù)將腿式移動機(jī)器人R的姿勢保持為規(guī)定的姿勢，同時不需要操作者的操作而將把持的物品水平地載置于減輕了臂部R3可伸展范圍的制約的高度的指定位置。
接著，參照圖5所示的流程圖說明腿式移動機(jī)器人R的從物品(例如，托盤)的接受到載置為止的整體動作(適當(dāng)參照圖2、3、4)。
首先說明腿式移動機(jī)器人R向接受物品的接受位置的移動(步驟S1)。
首先，腿式移動機(jī)器人R在預(yù)先設(shè)定的原位置進(jìn)行等待，腿式移動機(jī)器人R接收到從機(jī)器人管理裝置4發(fā)送的執(zhí)行命令信號時，腿式移動機(jī)器人R開始從原位置向人的通常所在處(參照人數(shù)據(jù))的移動。然后，到達(dá)人的通常所在處后，腿式移動機(jī)器人R中止移動，開始人的搜索。然后，對象檢測部120檢測到人H的標(biāo)簽識別號時，腿式移動機(jī)器人R由照相機(jī)C、C取得人的圖像，向人的正面移動。
另外，對象檢測部120在規(guī)定的時間內(nèi)沒有檢測到人H的標(biāo)簽識別號的情況下，腿式移動機(jī)器人R生成用于傳達(dá)不能執(zhí)行任務(wù)的意思的行動報告信號，并對機(jī)器人管理裝置4輸出，同時移動到原位置。
接著，說明腿式移動機(jī)器人R的物品(托盤)的接受動作(步驟S2)。
移動到接受位置的腿式移動機(jī)器人R將手指打開狀態(tài)的把持部71(71R、71L)伸出到接受高度。此時，腿式移動機(jī)器人R伸出把持部71R、71L，使其成為從把持部71到人的距離一定的位置，進(jìn)而使把持部71R、71L的伸出方向與移動體提取部102計(jì)算出的人的中心(中心鉛直線)一致。
把持部71R、71L的伸出完成后，接受狀態(tài)處于‘等待接受中’，腿式移動機(jī)器人R說出‘請交付物品(托盤)’。在該等待接受狀態(tài)下，腿式移動機(jī)器人R由6軸力傳感器62R、62L檢測出Fx1以上的外力Fx時，將接受狀態(tài)設(shè)定為‘接受中’，同時腿式移動機(jī)器人R開始關(guān)閉把持部71R、71L。然后，在接受中狀態(tài)下，在腿式移動機(jī)器人R由6軸力傳感器62R、62L檢測出的力Fx為Fx2以下，或把持角度偏差θ為θ1以下時，將接受狀態(tài)設(shè)定為‘接受動作完成’。
兩個把持部71R、71L的開度，即把持角度偏差θ為規(guī)定值θ3以上的情況下，判定為物品厚，兩個把持部71R、71L把持了物品，將接受狀態(tài)設(shè)定為‘把持完成’。
此外，在把持部71R、71L的至少一個的把持角度偏差θ小于規(guī)定值θ3的情況下，將接受狀態(tài)設(shè)定為‘判定是否把持成功’，同時判定是否把持成功。
詳細(xì)地說，腿式移動機(jī)器人R使把持部71R、71L接近或遠(yuǎn)離，由6軸力傳感器62R、62L檢測從物品作用的反作用力Fy。在反作用力Fy為規(guī)定值Fy1以上的情況下，判定為把持成功，將接受狀態(tài)設(shè)定為‘接受動作完成’，同時把持部71R、71L把持物品。然后，在反作用力Fy小于規(guī)定值Fy1的情況下，判定為把持失敗，并將接受狀態(tài)設(shè)定為‘接受失敗’。
接著，說明腿式移動機(jī)器人R的重新接受準(zhǔn)備。
將把持部71R、71L的接受狀態(tài)設(shè)定為‘接受失敗’，由6軸力傳感器62R、62L的至少一個檢測到規(guī)定值Fy2以上的外力Fy的情況下，將接受狀態(tài)設(shè)定為‘等待交付’，腿式移動機(jī)器人R說出‘請接受物品(托盤)并再次交付’。
然后，腿式移動機(jī)器人R由6軸力傳感器62R、62L中正在把持物品(托盤)的一個檢測出規(guī)定值Fx5以上的外力Fx時，將接受狀態(tài)設(shè)定為‘交付中’，同時把持部71R、71L被開放，再次執(zhí)行接受動作。
另外，在把持部71R、71L的把持角度偏差θ為規(guī)定值θ4以下的情況下(例如，θ＝0)，腿式移動機(jī)器人R說出‘請?jiān)俅谓桓段锲?托盤)’，把持部71R、71L被開放，并再次執(zhí)行接受動作。
接著，說明腿式移動機(jī)器人R的物品運(yùn)送移動(步驟S3)。
物品把持完成后，腿式移動機(jī)器人R將把持部71R、71L移動到照相機(jī)C、C的拍攝區(qū)域以外的位置(死角)。這是為了防止被把持的物品(托盤)妨礙照相機(jī)C、C的視場。然后，腿式移動機(jī)器人R開始從接受位置到指定位置(載置位置)的近前位置的移動，到達(dá)近前位置時，腿式移動機(jī)器人R中止移動，并開始指定位置的搜索。
移動到指定位置的近前位置的腿式移動機(jī)器人R對指定位置進(jìn)行物品的載置(步驟S4)。然后，腿式移動機(jī)器人R在物品的載置完成后，返回未把持物品的狀態(tài)，并進(jìn)行到原位置的移動。
參照圖6詳細(xì)說明該載置動作。
(腿式移動機(jī)器人載置物品時的詳細(xì)的動作)圖6是用于說明腿式移動機(jī)器人控制裝置1將物品載置于指定位置(桌子的上面)時的腿式移動機(jī)器人R的動作的流程圖(適當(dāng)參照圖2、3、4)。
首先，腿式移動機(jī)器人控制裝置1在移動結(jié)束后(到達(dá)指定位置的近前位置后)，通過數(shù)據(jù)取得單元3取得表示腿式移動機(jī)器人R的狀態(tài)的姿勢位置數(shù)據(jù)(步驟S11)。
即，腿式移動機(jī)器人控制裝置1通過數(shù)據(jù)取得單元3的姿勢控制輸入單元3a輸入腿式移動機(jī)器人R的肩關(guān)節(jié)部31R～33R的姿勢位置數(shù)據(jù)、腿部R1和上體部R2的連接部分的姿勢位置數(shù)據(jù)，并通過當(dāng)前手腕姿勢取得單元3b取得手腕旋轉(zhuǎn)用的臂關(guān)節(jié)部35R、35L、圍繞手腕的仰俯軸(Y軸)的手腕關(guān)節(jié)部36R、36L以及圍繞手腕的搖擺軸(X軸)的手腕關(guān)節(jié)部37R、37L各自的角度，并通過指尖目標(biāo)位置輸入單元3c輸入踝關(guān)節(jié)部16R(L)的位置以及把持部71R(L)的位置(指尖位置)。
接著，腿式移動機(jī)器人控制裝置1為了控制臂部R3以及腿部R1的動作以使由數(shù)據(jù)取得單元3取得的與各連桿位置相關(guān)的姿勢位置數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)定了腿式移動機(jī)器人R的姿勢的一系列變化的信息即全身計(jì)劃，通過全身協(xié)調(diào)控制單元5根據(jù)取得的姿勢位置數(shù)據(jù)決定要進(jìn)行哪種姿勢控制的輸入(腰增益開啟)(步驟S12)。即，腿式移動機(jī)器人控制裝置1為了確保將物品載置于指定位置時的作業(yè)范圍，對腿式移動機(jī)器人R的全身姿勢進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，進(jìn)而為了協(xié)調(diào)控制全身而決定處理姿勢位置數(shù)據(jù)的順序。
換言之，腿式移動機(jī)器人控制裝置1通過全身協(xié)調(diào)控制單元5進(jìn)行控制，以使互相補(bǔ)償將指尖(把持部71R(L)的位置)、兩肩(肩關(guān)節(jié)部31R(L)～33R(L)的位置)、腰(腿部R1和上體部R2的連接部分的位置)以及腳后根(踝關(guān)節(jié)部16R(L)的位置)連接的多面體的頂點(diǎn)的突出，從而確保作業(yè)范圍。
然后，腿式移動機(jī)器人控制裝置1通過全身協(xié)調(diào)控制單元5在姿勢控制設(shè)為開啟的狀態(tài)即確保了作業(yè)范圍的狀態(tài)下，開始將物品載置于指定位置的動作(步驟S13)。
此處，腿式移動機(jī)器人控制裝置1通過全身協(xié)調(diào)控制單元5將物品對于水平面的朝向保持為水平，以使手腕旋轉(zhuǎn)用的臂關(guān)節(jié)部35R、35L、圍繞手腕的仰俯軸(Y軸)的手腕關(guān)節(jié)部36R、36L以及圍繞手腕的搖擺軸(X軸)的手腕關(guān)節(jié)部37R、37L各自的角度不是極限值(避免極限)。
然后，腿式移動機(jī)器人控制裝置1從位置柔性輸入單元3d輸入與作用于把持部71的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)，通過載置判定單元7的判定單元7a根據(jù)外力數(shù)據(jù)是否在規(guī)定值以上來判定是否載置了物品(步驟S14)。即，在該外力數(shù)據(jù)在規(guī)定值以上的情況下，載置判定單元7判定為物品被載置于指定位置。換言之，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)施加于把持部71的反作用力為規(guī)定值以上的情況，認(rèn)為把持部71可靠地接觸到指定位置。此外，也可以在將物品載置于指定位置時，在腿式移動機(jī)器人R中，通過聲音處理部110的聲音合成部111以及揚(yáng)聲器S，說出‘茶水久等了，請用’。
腿式移動機(jī)器人控制裝置1通過載置判定單元7的判定單元7a在外力數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定值以上之前不視為載置完成(步驟S14，否)，返回步驟S13并繼續(xù)進(jìn)行載置動作，在外力數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定值以上的情況下認(rèn)為載置完成(步驟S14，是)。然后，腿式移動機(jī)器人控制裝置1將當(dāng)前的臂部R3的指尖的高度設(shè)定為返回動作(未持有物品的狀態(tài)，將臂部R3返回上體部R2的側(cè)部的動作)的初始值(步驟S15)，將腰增益開啟置位，開始返回動作(步驟S16)。該返回動作是使該連接部分的彎曲伸展以在降低臂部R3的同時使腿部R1和上體部R2的連接部分的位置位于從重心沿鉛直方向下降的直線上的動作。
(關(guān)于腿式移動機(jī)器人的動作狀況，作業(yè)范圍等)接著參照圖7和圖9至圖11，將腿式移動機(jī)器人R的動作狀況與以往的控制(沒有腿式移動機(jī)器人控制裝置1的控制的情況)一邊進(jìn)行比較一邊說明，同時也說明具體的作業(yè)范圍。
圖7以直線的連接簡化圖示腿式移動機(jī)器人R，同時圖示了該腿式移動機(jī)器人R的一系列動作。圖7A中以箭頭方向來表示運(yùn)送動作，圖7B中以箭頭方向來表示載置動作，圖7C中以箭頭方向來表示返回動作。
如該圖7所示，腿式移動機(jī)器人R把持物品M并移動，并水平地將物品M載置于指定位置S(特別是，如圖7B的最右側(cè)的圖)。腿式移動機(jī)器人控制裝置1中，在載置物品M時，通過來自指定位置S和臂部R3(把持部71(參照圖2))的反作用力(通過柔性控制)來檢測載置完成。
圖9以及圖10是對在由腿式移動機(jī)器人R進(jìn)行物品的載置動作時，有腿式移動機(jī)器人控制裝置1的控制的情況(有控制)和沒有的情況(沒有控制)進(jìn)行比較表示的圖。
圖9A表示有控制的情況，圖9B表示沒有控制的情況。
如該圖9B所示，在沒有控制的情況下，腿式移動機(jī)器人R進(jìn)行載置動作時，不僅確保作業(yè)區(qū)域(作業(yè)范圍)而且如圖9B的粗虛線表示的那樣向后方傾斜。相對于此，在有控制的情況下(圖9A)，腿式移動機(jī)器人R通過使由連接上體部(兩肩)、指尖、胯部(上體部和腿部的連接部分)和腳踝的8個頂點(diǎn)構(gòu)成的多面體的頂點(diǎn)的突出互相補(bǔ)償，將陰影部分所示的位置確保為作業(yè)區(qū)域，姿勢也穩(wěn)定。另外，如該圖9A所示，也可以代替腳踝而將膝蓋作為虛擬的頂點(diǎn)來構(gòu)成多面體。
此外，圖10A以及圖10C表示沒有控制的情況，圖10B以及圖10D表示有控制的情況。
如該圖10所示，在與‘追隨手臂的柔性控制’有關(guān)的動作中，在沒有控制的情況下(圖10A)，通過對指尖施加的力，腰(胯部、上體部和腿部的連接部分)不活動(不追隨)，而在有控制的情況下(圖10B)，通過對指尖施加的力，腰(胯部、上體部和腿部的連接部分)活動(追隨)。
另外，在與‘補(bǔ)償手腕可動角’有關(guān)的動作中，在沒有控制的情況下(圖10C)，指尖不追隨目標(biāo)姿勢，而在有控制的情況下(圖10D)，指尖追隨目標(biāo)姿勢并且可維持。
圖11以及圖12是在通過腿式移動機(jī)器人R進(jìn)行物品的載置動作時，對有腿式移動機(jī)器人控制裝置1的情況(有控制)和沒有的情況(無控制)進(jìn)行比較，進(jìn)而表示具體的作業(yè)范圍的圖。
圖11A表示沒有控制的情況，圖11B表示有控制的情況。
如圖11B所示，腿式移動機(jī)器人R能夠?qū)⒀?胯部)下降到離接地面為420mm的高度，并且能夠從離接地面680mm的高度到800mm(680mm+120mm)的高度為止，確保100mm寬度的作業(yè)范圍。
圖12是從腿式移動機(jī)器人R的正上方表示圖11的作業(yè)范圍的圖。‘僅Arm’表示沒有控制的情況下的作業(yè)范圍，‘全身進(jìn)入’表示有控制的情況下的作業(yè)范圍。如該圖12所示，在有控制的情況下(全身進(jìn)入)，與沒有控制的情況(僅Arm)相比，從平面上來看能夠確保約2倍以上的作業(yè)范圍。
即，‘全身進(jìn)入’有控制的情況下，通過使腿式移動機(jī)器人的腿部R1的胯關(guān)節(jié)部12R(L)和膝關(guān)節(jié)部14R(L)彎曲來確保作業(yè)范圍(參照圖7B)。
以上，說明了本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明不限定于所述實(shí)施方式。例如，在本實(shí)施方式中，作為腿式移動機(jī)器人控制裝置1進(jìn)行了說明，但也可以歸納為使用該裝置1的腿式移動機(jī)器人控制方法。
此外，腿式移動機(jī)器人R的各關(guān)節(jié)部的數(shù)目、配置等也可以適當(dāng)變更設(shè)計(jì)。
根據(jù)本實(shí)施方式的發(fā)明，能夠基于姿勢位置數(shù)據(jù)將腿式移動機(jī)器人的姿勢保持為規(guī)定的姿勢，并且無操作者的操作而將物品載置于減輕了臂部的可伸展范圍的制約的高度的指定位置。進(jìn)而，只要無操作者的操作而將物品載置于指定位置的高度在規(guī)定范圍內(nèi)，可以將把持的物品水平地進(jìn)行載置。
權(quán)利要求
1.一種腿式移動機(jī)器人控制裝置，該腿式移動機(jī)器人控制裝置對于在基體上連接了為把持物品而具有多個連桿的臂部、以及為移動而具有多個連桿的腿部的腿式移動機(jī)器人，基于與該腿式移動機(jī)器人的姿勢以及各連桿的位置有關(guān)的姿勢位置數(shù)據(jù)和與作用于所述臂部的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，該腿式移動機(jī)器人控制裝置的特征在于，該腿式移動機(jī)器人控制裝置包括數(shù)據(jù)取得單元，其取得所述姿勢位置數(shù)據(jù)和所述外力數(shù)據(jù)；全身協(xié)調(diào)控制單元，其基于由該數(shù)據(jù)取得單元取得的姿勢位置數(shù)據(jù)，在將由所述臂部把持的物品載置于預(yù)先指定的指定位置時，根據(jù)所述臂部的動作來控制所述腿部的動作；以及載置判定單元，其根據(jù)由所述數(shù)據(jù)取得單元取得的外力數(shù)據(jù)，判定所述物品通過該全身協(xié)調(diào)控制單元的動作而被載置于所述指定位置的情況，所述全身協(xié)調(diào)控制單元在降低所述臂部的位置或伸展所述臂部時，在由所述載置判定單元判定為所述物品未被載置于所述指定位置的情況下，使所述腿部的各連桿相互連接的部分彎曲。
2.一種腿式移動機(jī)器人控制裝置，該腿式移動機(jī)器人控制裝置對于在基體上連接了為把持物品而具有多個連桿的臂部、以及為移動而具有多個連桿的腿部的腿式移動機(jī)器人，基于與該腿式移動機(jī)器人的姿勢以及各連桿的位置有關(guān)的姿勢位置數(shù)據(jù)和與作用于所述臂部的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，該腿式移動機(jī)器人控制裝置的特征在于，該腿式移動機(jī)器人控制裝置包括數(shù)據(jù)取得單元，其取得所述姿勢位置數(shù)據(jù)和所述外力數(shù)據(jù)；全身協(xié)調(diào)控制單元，其在基于由該數(shù)據(jù)取得單元取得的姿勢位置數(shù)據(jù)、將由所述臂部把持的物品載置于預(yù)先指定的指定位置時，控制所述臂部的動作和所述腿部的動作，使得在將所述臂部以及所述腿部的部位或所述連桿的可動位置作為頂點(diǎn)連接而成的多面體中、對于所述多面體的部分頂點(diǎn)的動作、由其他頂點(diǎn)的動作來進(jìn)行補(bǔ)償；以及載置判定單元，其根據(jù)由所述數(shù)據(jù)取得單元取得的外力數(shù)據(jù)，判定所述物品通過該全身協(xié)調(diào)控制單元的動作而被載置于所述指定位置的情況，所述多面體的頂點(diǎn)至少由下述位置構(gòu)成作為所述臂部的部位的指尖位置、連接所述臂部和所述基體的連桿的可動位置、連接所述腿部和所述基體的連桿的可動位置、以及作為所述腿部的部位的腳后根位置或膝蓋位置。
3.如權(quán)利要求2所述的腿式移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，所述多面體包括位于彼此的對角處的、構(gòu)成第一對的頂點(diǎn)和構(gòu)成第二對的頂點(diǎn)，所述構(gòu)成第一對的頂點(diǎn)分別由對置的左右側(cè)面的頂點(diǎn)構(gòu)成，所述構(gòu)成第二對的頂點(diǎn)分別由對置的左右側(cè)面的頂點(diǎn)構(gòu)成，全身協(xié)調(diào)控制單元在所述第一對的頂點(diǎn)和所述第二對的頂點(diǎn)中的任一對頂點(diǎn)突出于規(guī)定的基準(zhǔn)多面體的對應(yīng)的對的頂點(diǎn)的情況下，使位于對角處的另一對頂點(diǎn)也突出于規(guī)定的基準(zhǔn)多面體的對應(yīng)的對的頂點(diǎn)，從而控制所述臂部、所述腿部的動作，以便對于所述多面體的部分頂點(diǎn)的動作、由其他頂點(diǎn)的動作來進(jìn)行補(bǔ)償。
4.如權(quán)利要求3所述的腿式移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，所述腿式移動機(jī)器人的臂部和腿部分別配置在左右側(cè)，所述多面體包括相互對置的第一側(cè)面和第二側(cè)面，第一側(cè)面由如下的頂點(diǎn)連接而成，該頂點(diǎn)由下述位置構(gòu)成作為右臂部的部位的指尖位置、連接所述右臂部和所述基體的連桿的可動位置、連接右腿部和所述基體的連桿的可動位置、以及作為所述右腿部的部位的腳后根位置或膝蓋位置，第二側(cè)面由如下的頂點(diǎn)連接而成，該頂點(diǎn)由下述位置構(gòu)成作為左臂部的部位的指尖位置、連接所述左臂部和所述基體的連桿的可動位置、連接左腿部和所述基體的連桿的可動位置、以及作為所述左腿部的部位的腳后根位置或膝蓋位置，根據(jù)所述腿式移動機(jī)器人的姿勢和各連桿的位置的變化，所述對置的第一側(cè)面和第二側(cè)面的形狀相同地發(fā)生變化。
5.如權(quán)利要求1或2所述的腿式移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，所述全身協(xié)調(diào)控制單元在將所述臂部把持的所述物品保持為水平的狀態(tài)下使所述腿部的各連桿相互連接的部分彎曲。
6.一種腿式移動機(jī)器人，該腿式移動機(jī)器人具有權(quán)利要求1至權(quán)利要求5中的任何一項(xiàng)所述的腿式移動機(jī)器人控制裝置。
7.一種腿式移動機(jī)器人控制方法，該腿式移動機(jī)器人控制方法對于在基體上連接了為把持物品而具有多個連桿的臂部、以及為移動而具有多個連桿的腿部的腿式移動機(jī)器人，基于與該腿式移動機(jī)器人的姿勢以及各連桿的位置有關(guān)的姿勢位置數(shù)據(jù)和與作用于所述臂部的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，該腿式移動機(jī)器人控制方法的特征在于，該腿式移動機(jī)器人控制方法包括由數(shù)據(jù)取得單元取得所述姿勢位置數(shù)據(jù)和所述外力數(shù)據(jù)的步驟；由全身協(xié)調(diào)控制單元進(jìn)行控制的步驟，該全身協(xié)調(diào)控制單元在基于由該數(shù)據(jù)取得單元取得的姿勢位置數(shù)據(jù)、將由所述臂部把持的物品載置于預(yù)先指定的指定位置時，根據(jù)所述臂部的動作來控制所述腿部的動作；以及由載置判定單元進(jìn)行判定的步驟，該載置判定單元根據(jù)由所述數(shù)據(jù)取得單元取得的外力數(shù)據(jù)，判定所述物品通過該全身協(xié)調(diào)控制單元的動作而被載置于所述指定位置的情況，由所述全身協(xié)調(diào)控制單元進(jìn)行控制的步驟在降低所述臂部的位置或伸展所述臂部時，在由所述載置判定單元判定為所述物品未被載置于所述指定位置的情況下，使所述腿部的各連桿相互連接的部分彎曲。
8.一種腿式移動機(jī)器人控制方法，該腿式移動機(jī)器人控制方法對于在基體上連接了為把持物品而具有多個連桿的臂部、以及為移動而具有多個連桿的腿部的腿式移動機(jī)器人，基于與該腿式移動機(jī)器人的姿勢以及各連桿的位置有關(guān)的姿勢位置數(shù)據(jù)和與作用于所述臂部的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，該腿式移動機(jī)器人控制方法的特征在于，該腿式移動機(jī)器人控制方法包括由數(shù)據(jù)取得單元取得所述姿勢位置數(shù)據(jù)和所述外力數(shù)據(jù)的步驟；在基于由該數(shù)據(jù)取得單元取得的姿勢位置數(shù)據(jù)、將由所述臂部把持的物品載置于預(yù)先指定的指定位置時，由全身協(xié)調(diào)控制單元控制所述臂部和所述腿部的動作，使得在將所述臂部以及所述腿部的部位或所述連桿的可動位置作為頂點(diǎn)連接而成的多面體中、對于所述多面體的部分頂點(diǎn)的動作、由其他頂點(diǎn)的動作來進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟襟E；以及由載置判定單元進(jìn)行判定的步驟，該載置判定單元根據(jù)由所述數(shù)據(jù)取得單元取得的外力數(shù)據(jù)，判定所述物品通過該全身協(xié)調(diào)控制單元的動作而被載置于所述指定位置的情況，在由所述全身協(xié)調(diào)控制單元控制的步驟中，所述多面體的頂點(diǎn)至少由下述位置構(gòu)成作為所述臂部的部位的指尖位置、連接所述臂部和所述基體的連桿的可動位置、連接所述腿部和所述基體的連桿的可動位置、以及作為所述腿部的部位的腳后根位置或膝蓋位置。
9.如權(quán)利要求8所述的腿式移動機(jī)器人控制方法，其特征在于，所述多面體包括位于彼此的對角處的、構(gòu)成第一對的頂點(diǎn)和構(gòu)成第二對的頂點(diǎn)，所述構(gòu)成第一對的頂點(diǎn)分別由對置的左右側(cè)面的頂點(diǎn)構(gòu)成，所述構(gòu)成第二對的頂點(diǎn)分別由對置的左右側(cè)面的頂點(diǎn)構(gòu)成，通過全身協(xié)調(diào)控制單元在所述第一對的頂點(diǎn)和所述第二對的頂點(diǎn)中的任一對頂點(diǎn)突出于規(guī)定的基準(zhǔn)多面體的對應(yīng)的對的頂點(diǎn)的情況下，使位于對角處的另一對頂點(diǎn)也突出于規(guī)定的基準(zhǔn)多面體的對應(yīng)的對的頂點(diǎn)，從而控制所述臂部、所述腿部的動作，以便對于所述多面體的部分頂點(diǎn)的突出、由其他頂點(diǎn)的突出來進(jìn)行補(bǔ)償。
10.如權(quán)利要求9所述的腿式移動機(jī)器人控制方法，其特征在于，所述腿式移動機(jī)器人的臂部和腿部分別配置在左右側(cè)，所述多面體包括相互對置的第一側(cè)面和第二側(cè)面，第一側(cè)面由如下的頂點(diǎn)連接而成，該頂點(diǎn)由下述位置構(gòu)成作為右臂部的部位的指尖位置、連接所述右臂部和所述基體的連桿的可動位置、連接右腿部和所述基體的連桿的可動位置、以及作為所述右腿部的部位的腳后根位置或膝蓋位置，第二側(cè)面由如下的頂點(diǎn)連接而成，該頂點(diǎn)由下述位置構(gòu)成作為左臂部的部位的指尖位置、連接所述左臂部和所述基體的連桿的可動位置、連接左腿部和所述基體的連桿的可動位置、以及作為所述左腿部的部位的腳后根位置或膝蓋位置，根據(jù)所述腿式移動機(jī)器人的姿勢和各連桿的位置的變化，所述對置的第一側(cè)面和第二側(cè)面的形狀相同地發(fā)生變化。
11.如權(quán)利要求7或8所述的腿式移動機(jī)器人控制方法，其特征在于，由所述全身協(xié)調(diào)控制單元進(jìn)行的控制步驟中，在將所述臂部把持的所述物品保持為水平的狀態(tài)下使所述腿部的各連桿相互連接的部分彎曲。
全文摘要
本發(fā)明的課題是提供一種能夠無操作者操作地將物品水平地載置于特定位置并且能夠?qū)⑽锲份d置于減輕了臂部的可伸展范圍的制約的高度的特定位置的腿式移動機(jī)器人及其控制裝置和控制方法。作為解決手段，腿式移動機(jī)器人控制裝置(1)對于將由多個連桿構(gòu)成的把持物品的臂部以及用于移動的腿部連接于上體部的腿式移動機(jī)器人，根據(jù)與該腿式移動機(jī)器人(R)的姿勢以及各連桿的位置有關(guān)的姿勢位置數(shù)據(jù)和與作用于臂部(R3)的外力有關(guān)的外力數(shù)據(jù)來進(jìn)行控制，該腿式移動機(jī)器人控制裝置(1)包括數(shù)據(jù)取得單元(3)、全身協(xié)調(diào)控制單元(5)、以及載置判定單元(7)。
文檔編號B25J13/08GK1982003SQ20061016567
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者織田豊生, 長谷川忠明, 杉山謙一郎 申請人:本田技研工業(yè)株式會社