DE69603433T2

DE69603433T2 - Verfahren zum Steuern des Gangs eines zweibeinigen Robotors und Vorrichtung für seine Fortbewegung

Info

Publication number: DE69603433T2
Application number: DE69603433T
Authority: DE
Inventors: Yuji Haikawa; Katsutoshi Tagami
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2016-10-01
Also published as: EP0765797A2; US5808433A; DE69603433D1; EP0765797A3; EP0765797B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Gängen eines mit Beinen versehenen Schreitroboters sowie ein System zum Steuern der Fortbewegung eines solchen mit Beinen versehenen Schreitroboters, und insbesondere ein Gang-Erzeugungsverfahren zur optimalen Gestaltung von Stellgliedern in den jeweiligen Gelenken eines zweibeinigen oder bipeden mobilen Roboters, dessen Größe so groß ist wie ein Mensch, und zum effektiven Verwenden eines Roboters aufgrund seiner mechanischen Festigkeit und seiner Stellgliedeigenschaften, sowie ein System zum Steuern der Fortbewegung eines solchen mit Beinen versehenen Schreitroboters.
Die meisten herkömmlichen zweibeinigen oder bipeden Schreitroboter wurden statt für praktische Anwendungen zum Zwecke von Forschungsaktivitäten konstruiert, und sie hatten externe Steuercomputer und Energiequellen, wie etwa Hydraulikdruckversorgungen und elektrische Batterien. Viele zweibeinige Schreitroboter hatten eine relativ geringe Größe und ein relativ geringes Gewicht. Einige wenige zweibeinige Schreitroboter wurden auf der Basis einer detaillierten Analyse der Ganggestaltung vom praktischen Standpunkt her ausgestaltet, um Bodenstöße (Bodenreaktionskraft) zu reduzieren und den Energieverbrauch zu senken. Obwohl viele zweibeinige Schreitroboter physikalischen Bedingungen genügen, damit sie selbst mit einer stabilen Haltung gehen können, z. B. eine theoretische Minimalbedingung, daß der ZMP (Null-Momentenpunkt) in der Bodenkontaktfläche eines Fußes anzuordnen ist, erreichen sie eine Gehfähigkeit ohne strikt gestaltete detaillierte Bedingungen. Ein solcher Ansatz erzeugt keine signifikanten Probleme insofern, als die Größe und das Gewicht des Roboters klein sind.
Der ZMP (Null-Momentenpunkt) bezeichnet "einen Punkt, wo Momente um eine Nickachse (eine Achse in der Frontalebene) und eine Rollachse (eine Achse in der Sagittalebene) an oder innerhalb der Seiten eines Stützvielecks, das durch Bodenkontaktpunkte einer Fußsohle und einer Bodenfläche gebildet ist, zu jedem Moment des Gehens null sind."
Ein herkömmlicher zweibeiniger Schreitroboter, der Aspekte nach diesen praktischen Gesichtspunkten enthält, ist in der japanischen Patentschrift Nr. Hei 6(1994)-88218 vorgeschlagen. Der vorgeschlagene zweibeinige Schreitroboter beruht auf der Beobachtung der Optimierung von Drehmomenten, die von Stellgliedern erzeugt werden. Jedoch enthält die Publikation keine Beschreibung über irgendeine Analyse einer Optimierung von erzeugten Drehmomenten, die bei mit Beinen versehenen Schreitrobotern an den Füßen auftreten, und einer Optimierung im Hinblick auf die Minderung von Stößen vom Boden (Bodenreaktionskraft).
Zweibeinige mobile Roboter, deren Größe so groß ist wie ein Mensch, sind häufig beträchtlich schwerer als normale Menschen. Solange nicht Stöße, die sie vom Boden her erhalten (Bodenreaktionskraft), reduziert werden, unterliegen sie Problemen, denen sie bei der Konstruktion als reales System gegenüberstehen, z. B. einem Problem der mechanischen Festigkeit und dem Wunsch nach einem geringeren Energieverbrauch, um die Dauergehzeit oder die Reichweite und die Haltungsstabilisierung zu verbessern.
Die Gestaltung oder Erzeugung von Gängen kann unter Berücksichtigung dieser Bedingungen kann nicht zufriedenstellend erfolgen, indem man lediglich physikalischen Bedingungen genügt, damit die Roboter mit einer stabilen Haltung gehen können, z. B. daß sich der ZMP in der Bodenkontaktfläche einer Fußsohle befindet, sondern es ist erforderlich, daß Hardwarebedingungen erfüllt werden, die die Leistungs- oder die Ausgabeanforderungen von Stellgliederausgabenbeinhalten, einschließlich deren Arbeitsgeschwindigkeits- Anforderungen und Bedingungen zum Mindern von Bodenstößen (Bodenreaktionskraft) auf ein gewisses Niveau oder darunter.
Es gibt eine Anzahl von Gängen, die physikalisch möglich sind, damit die Roboter gehen können, aber nicht alle Gänge berücksichtigen die obigen realen Einschränkungen. Es ist nicht leicht, jene Gänge zu wählen und auszugestalten, die unter den physikalisch möglichen Gängen diesen realen Bedingungen genügen. Da zweibeinige Schreitroboter, die in verschiedenen Anwendungen Verwendung finden, unterschiedliche Größen und verschiedene Gehgeschwindigkeiten haben, ist es noch schwieriger, optimale Gänge für solche zweibeinige Schreitroboter auszugestalten oder zu erzeugen.
Nichtsdestoweniger sind Gänge, die beim tatsächlichen Gehen eines Roboters zu verwenden sind, bei der Konstruktion oder der Leistungsbestimmung oder von Ausgaben von Stellgliedern einschließlich ihrer Arbeitsgeschwindigkeiten etc. des Roboters zu berücksichtigen. Obwohl es im Prinzip möglich ist, vorab optimale Gänge im Hinblick auf alle möglichen Verwendungsarten zu studieren, erfordert ein solcher Prozeß einen starken Arbeits- und Zeitaufwand, weil durch wiederholte Experimente auf der Basis tatsächlicher Roboter erhebliche Mühe erforderlich ist, um den Gang zu optimieren.
Wenn praktisch realisierbare Gänge auf Off-line- oder Echtzeitbasis gestaltet werden können und wenn eine Roboteranwendung bestimmt worden ist, dann werden Spezifikationen für Stellglieder und ihre Arbeitsgeschwindigkeiten, die für diese Roboteranwendung geeignet sind, derart bestimmt, daß sie den strengsten Bedingungen bei der Roboteranwendung genügen. Hierbei ist wegen der physikalischen Konfigurationen und Systemkosten der Ansatz nicht geeignet, einfach Hochleistungsstellglieder zu verwenden und die mechanische Festigkeit zu erhöhen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum leichten Erzeugen eines Gangs eines realen zweibeinigen Schreitroboters anzugeben, welches ermöglicht, daß die Stellglieder und ihre Arbeitsgeschwindigkeiten quantitativ gestaltet oder bestimmt werden und unter zahlreichen Gängen, die physikalischen Bedingungen genügen, welche das Gehen des Roboters mit stabiler Haltung gestatten, praktisch realisierbar sind, ohne eine komplexe Ganggestaltung durchzuführen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum leichten Erzeugen eines Gangs eines realen zweibeinigen Schreitroboters anzugeben, welches ermöglicht, daß Stellglieder und ihre Arbeitsgeschwindigkeiten quantitativ gestaltet oder bestimmt werden, und welches ein Gehmuster mit minimaler Überbelastung erreicht, um Bodenstöße zu lindern, die für einen praktischen Roboter relevant sind, unter einer Vielzahl von Gängen, die physikalischen Bedingungen genügen, welche das Gehen des Roboters mit einer stabilen Haltung gestatten.
Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum Steuern der Fortbewegung eines solchen zweibeinigen Schreitroboters anzugeben, dessen Gang in der vorstehenden Weise erzeugt wird.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Gangs eines zweibeinigen Schreitroboters nach Anspruch 1 angegeben. Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Steuern der Fortbewegung eines zweibeinigen Schreitroboters nach Anspruch 6 angegeben.
Die EP-0572285 offenbart ein Haltungsstabilisierungs-Steuersystem für einen mit Beinen versehenen mobilen Roboter sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines Gangs eines solchen Roboters nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und Zeichnungen einer Ausführung der Erfindung ersichtlich, die nur als Beispiel angegeben sind, wobei:
Fig. 1 ist ein Sklettdiagramm mit Darstellung eines zweibeinigen Schreitroboters in seiner Gesamtheit, bei dem das Gangerzeugungsverfahren und das Fortbewegungssteuersystem nach der vorliegenden Erfindung angewendet werden;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Fußes des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm mit Darstellung von Details einer Steuereinheit des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters;
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm mit Darstellung des Gangerzeugungsverfahrens, welches bei dem in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboter angewendet wird;
Fig. 5 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung, wie die Höhe der Trajektorie des Schwerpunkts eines Körpers des Roboters sich ändert, wenn sich der Hubbetrag der Ferse unter einer derart strengen oder einschränkenden Bedingung ändert, daß die Vertikalbeschleunigung des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters auf einem konstanten Wert oder darunter gehalten wird;
Fig. 6 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung des Verlagerungsbetrags der Doppelstützphase des Körpers in bezug auf die Gehgeschwindigkeit des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters;
Fig. 7 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Lage des Körpers in einer Doppelstützphase in bezug auf die Gehgeschwindigkeit des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters;
Fig. 8 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung, wie sich die Lage des Körpers ändert, wenn die auf die Fußsohle des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters wirkende Lastmitte von der geometrischen Mitte des Fußes nach vorne und hinten verlagert wird;
Fig. 9 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Beziehung zwischen der Lage des Körpers und den Hubbetrag der Ferse des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters;
Fig. 10 ist ein Diagramm mit Darstellung der Berechnung einer Untergrenze des Hubbetrags der Ferse des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters;
Fig. 11 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Beziehung zwischen dem Hubbetrag der Ferse und der Schrittweite des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters;
Fig. 12 ist ein Diagramm mit Darstellung der Berechnung einer Obergrenze für den Hubbetrag der Ferse des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters;
Fig. 13 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Beziehung zwischen der Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers und der Vertikalbeschleunigung, während die Amplitude der Vertikalverlagerung des Körpers konstant gehalten wird, wenn der in Fig. 1 gezeigte zweibeinige Schreitroboter mit einer Gehgeschwindigkeit von 2 km/h geht;
Fig. 14 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Beziehung zwischen der Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers und der Vertikalbeschleunigung, während die Amplitude der Vertikalverlagerung des Körpers konstant gehalten wird, wenn der in Fig. 1 gezeigte zweibeinige Schreitroboter mit einer Gehgeschwindigkeit von 3 km/h geht;
Fig. 15 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Beziehung zwischen der Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers und der Vertikalbeschleunigung, während die Amplitude der Vertikalverlagerung des Körpers konstant gehalten wird, wenn der in Fig. 1 gezeigte zweibeinige Schreitroboter mit einer Gehgeschwindigkeit von 4 km/h geht;
Fig. 16 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Beziehung zwischen der Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers und der Vertikalbeschleunigung, während die Amplitude der Vertikalverlagerung des Körpers konstant gehalten wird, wenn der in Fig. 1 gezeigte zweibeinige Schreitroboter mit einer Gehgeschwindigkeit von 5 km/h geht;
Fig. 17 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Beziehung zwischen der Vertikalbeschleunigung und der Gehgeschwindigkeit des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters;
Fig. 18 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung, wie sich die Vertikalbeschleunigung ändert, wenn sich die Amplitude der Vertikalverlagerung umgekehrt proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit ändert, wenn der in Fig. 1 gezeigte zweibeinige Schreitroboter mit einer Gehgeschwindigkeit von 3 km/h geht;
Fig. 19 ist ein Diagramm von Daten, die Fig. 18 ähnlich sind, zeigt jedoch die Vertikalbeschleunigung, wenn der in Fig. 1 gezeigte zweibeinige Schreitroboter mit einer Gehgeschwindigkeit von 5 km/h geht;
Fig. 20 ist ein Diagramm von Daten, die Fig. 18 ähnlich sind, zeigt jedoch die Beschleunigung allein des Körpers, wenn der in Fig. 1 gezeigte zweibeinige Schreitroboter mit einer Gehgeschwindigkeit von 5 km/h geht;
Fig. 21 ist ein Diagramm von Parametern des in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen Schreitroboters, verwendet in einem Beispiel der Erfindung;
Fig. 22 ist ein Flußdiagramm mit Darstellung der Berechnung eines Hubbetrags der Ferse;
Fig. 23 ist ein Diagramm von simulierten Daten mit Darstellung eines Gangs, berechnet durch die in Fig. 22 gezeigten Prozesse;
Fig. 24 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Trajektorie einer Vertikalverlagerung des Körpers bei dem in Fig. 23 gezeigten Gang;
Fig. 25 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Vertikalbeschleunigung des Körpers bei dem in Fig. 23 gezeigten Gang;
Fig. 26 ist ein Diagramm simulierter Daten mit Darstellung einer Modifikation des in Fig. 23 gezeigten Gangs;
Fig. 27 ist ein Diagramm von Daten mit Darstellung der Trajektorie einer Vertikalverlagerung des Körpers des in Fig. 26 gezeigten Gangs;
Fig. 28 ist ein Diagramm simulierter Daten mit Darstellung der Vertikalbeschleunigung des Körpers bei dem in Fig. 26 gezeigten Gang;
Fig. 29 ist ein Diagramm simulierter Daten mit Darstellung der Winkelgeschwindigkeit eines Knöchelgelenks, die aus dem in Fig. 26 gezeigten Gang bestimmt ist;
Fig. 30 ist ein Diagramm simulierter Daten mit Darstellung der Winkelgeschwindigkeit eines Kniegelenks, die aus dem in Fig. 26 gezeigten Gang bestimmt ist;
Fig. 31 ist ein Diagramm simulierter Daten mit Darstellung der Winkelgeschwindigkeit eines Hüftgelenks, die aus dem in Fig. 26 gezeigten Gang bestimmt ist;
Fig. 32 ist ein Diagramm simulierter Daten mit Darstellung des Gelenkdrehmoments des Knöchelgelenks, das aus dem in Fig. 26 gezeigten Gang bestimmt ist;
Fig. 33 ist ein Diagramm simulierter Daten mit Darstellung des Gelenkdrehmoments des Kniegelenks, das aus dem in Fig. 26 gezeigten Gang bestimmt ist;
Fig. 34 ist ein Diagramm simulierter Daten mit Darstellung des Gelenkdrehmoments des Hüftdrehmoments, das aus dem in Fig. 26 gezeigten Gang bestimmt ist;
Fig. 35 ist ein Flußdiagramm mit Darstellung der Fortbewegungssteuerung des in Figur gezeigten zweibeinigen Schreitroboters auf der Basis des Gangs, der mit dem erfindungsgemäßen Gehbewegungs-Erzeugungsverfahren erzeugt ist;
Fig. 36 ist ein Flußdiagramm mit Darstellung einer Servosteuerung für Gelenkwinkel in der in Fig. 35 gezeigten Steuerung;
Fig. 37 ist eine Querschnittsansicht eines Fußes eines anderen zweibeinigen Schreitroboters, bei dem das Gangerzeugungsverfahren und das Fortbewegungssteuersystem nach der vorliegenden Erfindung angewendet sind;
Fig. 38 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie XXXVIII-XXXVIII von Fig. 37; und
Fig. 39 ist eine Seitenansicht des in Fig. 37 gezeigten Fußes bei angehobener Ferse.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Als erstes wird unten ein zweibeiniger Schreitroboter beschrieben, bei dem ein Gangerzeugungsverfahren und ein Fortbewegungssteuersystem nach der vorliegenden Erfindung angewendet sind.
Fig. 1 zeigt ein Skelettdiagramm eines zweibeinigen Schreitroboters 1 in seiner Gesamtheit, der ein Paar mit Seitenabstand angeordneter Beinglieder 2 aufweist, die jeweils aus sechs Gelenken zusammengesetzt sind. Zum leichteren Verständnis ist jedes der Gelenke durch einen Elektromotor dargestellt, der das Gelenk betätigt. Die Gelenke enthalten, nach unten hin aufeinanderfolgend angeordnet, ein Paar von Gelenken 10R, 10L (das rechte Gelenk ist mit R und das linke Gelenk mit L bezeichnet) zum Drehen der Beine in bezug auf eine Hüfte, ein Paar von Gelenken 12R, 12L zur Rollbewegung in Bezug auf die Hüfte um eine Y-Achse in einer Sagittalebene, ein Paar von Gelenken 14R, 14L zur Wankbewegung in bezug auf die Hüfte um eine X- Achse in einer Frontalebene, ein Paar von Gelenken 16R, 16L zur Rollbewegung in bezug auf Knie, ein Paar von Gelenken 18R, 18L zur Rollbewegung in bezug auf Fußanordnungen sowie ein Paar von Gelenken 20R, 20L zur Wankbewegung in bezug auf die Fußanordnungen.
Die Fußanordnungen weisen jeweilige Füße 22R, 22L auf. Der zweibeinige Schreitroboter 1 umfaßt an seinem obersten Abschnitt einen Körper (Rumpf) 24, der eine Mikrocomputer aufweisende Steuereinheit 26 enthält, die später anhand von Fig. 3 erläutert wird. Die Gelenke 10R(L), 12R(L), 14R(L) bilden Hüftgelenke, und die Gelenke 18R(L), 20R(L) bilden Knöchelgelenke. Die Hüftgelenke sind mit den Kniegelenken durch Oberschenkel 28R, 28L verbunden, und die Kniegelenke sind mit den Knöchelgelenken durch Unterschenkel 30R, 30L verbunden.
Mit der obigen Struktur ergeben sich für jedes Beinglied 2 sechs Freiheitsgrade. Wenn die 6 · 2 = 12 Gelenke mit geeigneten Winkeln angetrieben werden, während der zweibeinige Schreitroboter 1 geht, wird den gesamten Beinen eine gewünschte Bewegung verliehen, so daß der zweibeinige Schreitroboter 1 nach Wunsch in einem dreidimensionalen Raum geht. Der Roboter, welcher somit zumindest einen Körper, zwei Gelenkbeine, die jeweils mit dem Körper durch ein Hüftgelenk verbunden sind und jeweils einen Oberschenkel, einen mit dem Oberschenkel durch ein Kniegelenk verbundenen Unterschenkel sowie einen durch ein Knöchelgelenk mit dem Unterschenkel verbundenen Fuß aufweisen, so konfiguriert, daß die Gelenkbeine als vorderes Bein und als hinteres Bein angetrieben werden, so daß sich das hintere Bein vom Boden abstößt, um in eine Richtung zu gehen.
Fig. 2 zeigt eine Detailkonfiguration jeder der Fußanordnungen im Querschnitt entlang der Sagittalebene. Die Ausgangskraft von einem Elektromotor (in Fig. 2 nicht gezeigt), der das Knöchelgelenk antreibt, wirkt auf ein Eingabeende eines Harmonic-Drehzahluntersetzers (Handelsname, in Fig. 2 nicht gezeigt), wird drehzahlreduziert und mit einer geeigneten Verstärkung in bekannter Weise im Drehmoment erhöht, um ein an dem Unterschenkel 30 angebrachtes festes Element 32 sowie ein unter dem festen Element 32 befindliches drehendes Element 34 in Vorwärtsgehrichtung (in der Sagittalebene) um eine Achse 36 (die mit der Achse des Knöchelgelenks 18R(L) fluchtet) im Winkel anzutreiben, um hierdurch den Fuß 22R(L) in Vorwärtsrichtung zu kippen oder zu neigen.
Ein Elektromotor 20M zum Antrieb des Knöchelgelenks 20 ist orthogonal zu der Achse 36 angeordnet. Die Ausgangskraft von dem Elektromotor 20M wirkt auf einen zweiten Harmonic-Drehzahluntersetzer 40 zur Winkelverlagerung des festen Elements 32 und des drehenden Elements 34 in einer Querrichtung (innerhalb der Frontalebene), die normal zur Vorwärtsrichtung ist, um eine zweite Achse 42 (die mit der Achse des Knöchelgelenks 20R(L) fluchtet), um hierdurch den Fuß 22R(L) in der Querrichtung zu kippen oder zu neigen. Die strukturellen Details des obigen Roboters mit den Knöchelgelenken sind in einer früheren Anmeldung beschrieben (japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei3(1991)-184,782), die vom Anmelder vorgeschlagen wurde und im Detail nicht weiter beschrieben wird.
Ein bekannter sechsdimensionaler Kraft- und Drehmomentsensor 44 ist unter dem drehenden Element 34 angeordnet, um drei Richtungskomponenten Fx, Fy, Fz der Kraft und drei Richtungskomponenten Mx, My, M2 des Drehmoments oder Moments zu messen, um hierdurch zu erfassen, ob die Fußanordnung aufgesetzt hat oder nicht, oder eine Last oder Kraft durch die Fußanordnung auf den Roboter wirkt, wenn sie den Boden berührt. Der Fuß 22R(L) weist einen flachen Rahmen 46 auf, der unter dem sechsdimensionalen Kraft- und Drehmomentsensor 44 angeordnet ist. Der Rahmen 46 weist eine Unterfläche (Fußsohle) auf, die im wesentlichen flach ist, und umfaßt eine Zehe 46a und eine Ferse 46b, an denen elastische Elemente 50, 52 angebracht sind, um Stöße (Bodenreaktionskraft) zu dämpfen, die einwirken, wenn die Fußanordnung aufgesetzt wird.
Der Körper 24 weist einen Neigungssensor 60 auf, um ein Kippen oder ein Neigen in der Frontalebene in bezug auf eine z-Achse (Schwerkraftrichtung) und dessen Winkelgeschwindigkeit zu erfassen, sowie ein Kippen in der Sagittalebene in bezug auf die z-Achse und dessen Winkelgeschwindigkeit zu erfassen. Den Elektromotoren der jeweiligen Gelenke sind jeweilige Drehcodierer zugeordnet, um die Winkelverlagerungen der Elektromotoren zu erfassen. Obwohl in Fig. 1 nicht gezeigt, sind an geeigneten Stellen des Roboters 1 ein Nullreferenzschalter 62 (siehe Fig. 3) zur Korrektur eines Ausgangssignals von dem Neigungssensor 60 sowie ein Grenzschalter 64 (siehe Fig. 3) zum Ausfallsicherungsbetrieb angeordnet. Ausgangssignale von den sechsdimensionalen Kraft- und Drehmomentsensoren 44, dem Neigungssensor 60, den Drehcodierern, dem Nullreferenzschalter 62 sowie dem Grenzschalter 64 werden der Steuereinheit 26 in dem Körper 24 zugeleitet.
Fig. 3 zeigt im Blockdiagramm Details der Steuereinheit 26, die Mikrocomputer aufweist. Ausgangssignale von den Sensoren 44 und dem Neigungssensor 60 werden durch einen A/D-Wandler 70 in Digitalsignale gewandelt, die durch einen Bus 72 zu einem RAM 74 übertragen werden. Ausgangssignale von den Drehcodierern, die den jeweiligen Elektromotoren benachbart sind, werden durch einen Zähler 76 dem RAM 74 zugeführt. Ausgangssignale von dem Nullreferenzschalter 62 und dem Grenzschalter 64 werden durch einen Wellenformer 78 übertragen und in dem RAM 74 gespeichert.
Die Steuereinheit 26 enthält erste und zweite Berechnungseinheiten 80, 82, die beide aus einer CPU aufgebaut sind. Die erste Berechnungseinheit 80 liest Gangparameter, die in einer später beschriebenen Weise erzeugt werden und in einem ROM 84 gespeichert sind, berechnet gewünschte Gelenkwinkel und gibt die berechneten gewünschten Gelenkwinkel an das RAM 74 aus. Die zweite Berechnungseinheit 82 liest die gewünschten Gelenkwinkel und erfaßte Meßwerte von dem RAM 74, wie später beschrieben, berechnet Stellgrößen (Steuereingaben), die zum Antrieb der Gelenke erforderlich sind, und gibt die berechneten Stellgrößen durch einen D/A-Wandler 86 und Servoverstärker an die Elektromotoren aus, die die jeweiligen Gelenke antreiben.
Auf der Basis des zweibeinigen Schreitroboters mit der obigen Struktur wird nachfolgend ein Gangerzeugungs (Ganggestaltungs)-Verfahren sowie ein System zur Steuerung der Fortbewegung des zweibeinigen Schreitroboters nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1) Allgemeine Theorie der Ganggestaltung für den zweibeinigen Schreitroboter:
Zur Ganggestaltung oder -erzeugung ist es notwendig, eine Gehgeschwindigkeit, eine Gehschrittweite (Hub- oder Schrittweite des gehenden Fußes) zu bestimmen, wie jeder Fuß zu bewegen oder zu verlagern ist und wie der Schwerpunkt des Roboters zu bewegen oder zu verlagern ist.
Es ist in der Technik bekannt, daß, wie oben beschrieben, der ZMP in der Bodenkontaktfläche eines Fußes liegen muß, und zwar als restriktive oder zwingende Bedingung für physikalisch mögliche Gänge, so daß der Roboter eine stabile Haltung behält.
Zur Entwicklung realer Roboter ist es notwendig, geeignete Gelenkstellglieder und ihre Arbeitsgeschwindigkeiten zu bestimmen, vom Boden erhaltene Stöße (Bodenreaktionskraft) zu reduzieren und den Energieverbrauch des Roboters insgesamt beim Gehen zu senken, während eine stabile Haltung beibehalten wird.
Wenn der Roboter so gesteuert wird, daß sich sein Schwerpunkt in einer niedrigen Lage befindet, dann geht der Roboter mit abknickenden Knien und benötigt jederzeit starke Rückhaltedrehmomente. Daher ist es im Hinblick auf geringen Energieverbrauch vorteilhaft, die Trajektorie des Schwerpunkts so hoch wie möglich zu halten, d. h. zwischen Tragbeinen umzuschalten, indem man diese im Bogen um stützpunktartige Stelzen herum bewegt oder dreht.
Wenn jedoch die Trajektorie des Schwerpunkts zu hoch ist, dann wird, wenn das Tragbein kippt, der Schwerpunkt notwendigerweise abgesenkt. Daher unterliegt der Schwerpunkt einer Vertikalverlagerung. Wenn die Vertikalverlagerung des Schwerpunkts groß ist, dann nimmt eine Vertikalkomponente der Bodenreaktionskraft zu. Im Ergebnis besteht die Neigung, dass die Füße den Boden nur schlecht berühren und vom Boden her verstärkte Stöße erhalten.
Um die Größe und das Gewicht der Stellglieder zu reduzieren, muß man die Leistung oder die Ausgaben der Stellglieder minimieren. Um dem nachzukommen, müssen Gänge in einer Weise ausgestaltet werden, daß die maximalen Drehmomente und die maximalen Winkelgeschwindigkeiten, die für die Gelenke erforderlich sind, minimiert werden. Bei der praktischen Ganggestaltung bemüht man sich, einen Kompromiß zwischen den obigen gegenläufigen Bedingungen zu erzielen.

2. Prozeß zur Gestaltung von Stellgliedspezifikationen:

Zur Gestaltung von Stellgliedspezifikationen ist es erforderlich, deren maximales Drehmoment und deren maximale Drehgeschwindigkeit zu bestimmen. Wenn ein maximales Drehmoment und eine maximale Drehzahl bestimmt sind, lassen sich eine Maximalausgabe enthaltende Spezifikationen bestimmen und, ob ein Drehzahluntersetzer hinzugefügt werden muß oder nicht.
Das maximale Drehmoment wird durch einen Gang bestimmt und sollte vom strengen Gesichtspunkt her dynamisch berechnet werden, obwohl häufig keine Probleme auftreten, wenn sie aus dem Gang und dem Gewicht statisch berechnet werden. Die maximale Winkelgeschwindigkeit des Hüftgelenks des Tragbeins wird im wesentlichen in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit und dem Intervall oder der Periode einer Einzelstützphase bestimmt, weil der Roboter während der Einzelstützphase mit dem nächsten Gehschritt beginnen muß.
Um die maximale Winkelgeschwindigkeit des Hüftgelenks des Tragbeins zu bestimmen, muß man einen (Geh-) Schritt (Gehhub oder Schrittweite) sowie eine Fortbewegungsrate bestimmen, d. h. eine Gehperiode (Rate) mit der der Gehschritt beginnt. Da die Gehgeschwindigkeit gleich Schrittweite x Gehrate ist, genügt es, wenn die Gehgeschwindigkeit bestimmt worden ist, entweder die Schrittweite oder die Gehrate zu bestimmen. Die Schrittweite steht in enger Beziehung zum maximalen Drehmoment des Hüftgelenks und die Gehrate steht in enger Beziehung zur maximalen Winkelgeschwindigkeit des Hüftgelenks.
Die maximale Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks ist in starkem Maße von der Art und Weise abhängig, mit der der Fuß 22R(L) eines schwingenden oder angehobenen Beins bewegt oder verlagert wird, d. h. in welchem Ausmaß der Fuß 22R(L) angehoben werden sollte (Hubbetrag des Fußes) oder ob der Fuß früh oder spät nach vorne gebracht werden soll.
Ähnlich ist die maximale Winkelgeschwindigkeit eines Knöchelgelenks 18, 20R(L) stark von der Art und Weise abhängig, mit der der Fuß eines schwingenden Beins bewegt oder verlagert wird. Das Hüftgelenk 10, 12, 14R(L) eines schwingenden Beins wird stark durch die Bewegung des Knies beeinflußt. Daher muß man diskutieren, wie der Fuß 22R(L) bewegt oder verlagert werden soll, d. h. es ist eine Ausgestaltung und Ausarbeitung eines Gangs erforderlich. Ein auszugestaltender Gang sollte bevorzugt für die Leistungsmaximierung der Stellglieder optimiert sein.
Wenn ein Gang bestimmt wird, wird die maximale Winkelgeschwindigkeit jedes Gelenks automatisch aus dem Gang bestimmt, und notwendige Drehmomente und maximale Ausgaben von Stellgliedern können wie oben beschrieben grob berechnet werden. Daher können die Stellgliedspezifikationen gestaltet werden.
Nachfolgend wird die Gestaltung von Stellgliedspezifikationen im einzelnen Detail beschrieben.

3) Prozeß zur Gestaltung von Stellgliedern, einschließlich eines Prozesses zur Gestaltung eines Gangs:

Wie oben beschrieben, ist es das letztendliche Ziel bei der Gestaltung eines Gangs, Spezifikationen von Gelenkstellgliedern zu bestimmen und die mechanische Festigkeit eines Roboters und die Fähigkeiten des Stellglieds auf der Basis des Gangs effektiv zu nutzen, um zu ermöglichen, daß der Roboter geht. Prozesse zur Bestimmung von Spezifikationen von Gelenkstellgliedern nach der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 4 gezeigt. Nachfolgend wird der in Fig. 4 gezeigte Prozeß beschrieben:
Gemäß den Prozessen zur Gestaltung oder Erzeugung eines Gangs werden zuerst in S10 eine Gehgeschwindigkeit und eine Schrittweite (Gehschritt) gewählt.
Beim richtigen Gehen sind die Gehgeschwindigkeit und die Schrittweite stark vom Zweck des Gehens abhängig. Die Gehgeschwindigkeit und die Schrittweite sollten manchmal nicht willkürlich gewählt werden, sondern müssen den Umständen entsprechend bestimmt werden, unter denen der Roboter arbeitet. Beispielsweise kann die Gehgeschwindigkeit nicht an einem Ort erhöht werden, wo der Roboter nur mit Schwierigkeiten gehen kann, und die Schrittweite wird durch beschränkte Stellen bestimmt, an denen der Fuß aufzusetzen ist.
Bei der Bestimmung von Spezifikationen der Gelenkstellglieder können die strengsten Spezifikationen, d. h. eine maximale Gehgeschwindigkeit und eine maximale (Geh-)Schrittweite unter jenen gewählt werden, die möglicherweise für richtiges Gehen verwendet werden können. Beispielsweise können Spezifikationen, wie etwa eine maximale Gehgeschwindigkeit von 5 km/h, und eine maximale (Geh-)Schrittweite von 750 mm gewählt werden.
Nach einer Studie, die auf Gehmuster, beispielsweise von Menschen, gerichtet ist "Effect on walking parameters of walking period and step in normal walking", lida et al. Plastic Surgery Biomechanics, Vol. 5, 1983, beträgt der Anteil einer Doppelstützphase von einer Gehperiode etwa 15%. Das bedeutet, daß die Doppelstützphase etwa 30% der Zeit belegt, die zum Start eines Gehschritts erforderlich ist.
Der obige Gehmodus betrifft solche Gehmerkmale von Menschen, bei denen die Ferse eines abstoßenden (hinteren Beins) Fußes in eine nahezu vertikale Stellung ansteigt oder sich aufrichtet, die mit der Zehe angenähert fluchtet, wenn die Ferse vom Boden abgehoben wird. Ein zweibeiniger Schreitroboter muß nicht notwendigerweise das gleiche Gehmuster haben wie Menschen. Es ist aus Experimenten bekannt, daß die Doppelstützphase eines zweibeinigen Schreitroboters, die etwa 20% der Zeit beträgt, die zum Einleiten eines Gehschritts erforderlich ist, praktisch erwünscht ist, unter Berücksichtigung eines Effekts, der die Arbeitsgeschwindigkeit von Knöchelgelenken 18, 20R(L) betrifft, wie später beschrieben.
Im Hinblick auf das oben stehende wird in S12 der Anteil der Zeit einer Doppelstützphase einer Gehperiode festgelegt:
Dann geht das Programm zu S14. In S14 wird der Betrag, um den der Fuß 22R(L) eines schwingenden (hinteren) Beins gekippt oder geneigt wird, wenn dieser in der Doppelstützphase vom Boden abgehoben ist, d. h. der Hubbetrag der Ferse, aus der (Geh-)Schrittweite und dem Anteil der Zeit der Doppelstützphase zur Gehperiode bestimmt.
Nachfolgend wird die Notwendigkeit der Bestimmung des Hubbetrags der Ferse und des Prozesses zur Bestimmung desselben beschrieben. Der Gang eines zweibeinigen Schreitroboters, bei dem der Fuß eines schwingenden Beins auf dem Boden gleitet, jedoch nicht vom Boden abgehoben wird, während der Roboter geht, ist im Hinblick auf den Energieverbrauch am effizientesten. Bei diesem Gang fängt sich der Roboter jedoch an verschiedenen unregelmäßigen Formen, wie etwa Oberflächenunregelmäßigkeiten, auf der momentanen Gehbodenfläche, wobei die Haltungsstabilität verloren geht. Daher ist es erwünscht, den Fuß des schwingenden Beins zumindest um einen minimal erforderlichen Betrag oder Weg anzuheben, obwohl der Weg in Abhängigkeit von den Gegebenheiten veränderlich sein kann. Der Hubbetrag des Fußes des schwingenden (hinteren) Beins kann in Abhängigkeit von den Umständen, einschließlich Oberflächenunregelmäßigkeiten an der Gehbodenfläche, auf einen geeigneten Wert gesetzt werden.
Wenn der Fuß des schwingenden Beins hoch angehoben wird, wird entsprechend das Knie stark gebogen, und die maximale Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks 16R(L) wird notwendigerweise groß. Die Winkelgeschwindigkeiten der betreffenden Hüftgelenke 10, 12, 14R(L) nehmen auch zu. Demzufolge wird praktischerweise für den Hubbetrag eines Fußes des schwingenden Beins eine minimale Höhe gewählt, die in bezug auf den strengsten Wert unter praktisch denkbaren Gebrauchsbedingungen ausreichend ist. Beispielsweise kann eine Trajektorienbedingung so festgelegt werden, daß "der Fuß des schwingenden Beins auf eine Höhe angehoben wird, mit der er über einen Betonblock mit einer Breite von 100 mm und einer Höhe von 30 mm hinweggehen kann."
Vom Standpunkt der Dynamik her ist es für einen Roboter möglich, ohne Anheben seiner Fersen zu gehen, wie etwa ein Stelzenroboter, der keine Füße hat. Beim Gang eines Menschen ist es bekannt, daß beim Gehmuster von Menschen die Fersen um einen beträchtlichen Betrag oder Weg angehoben werden, wie aus der obigen Studie entnommen werden kann.
Wenn ein Roboter das gleiche Gehmuster wie ein Mensch hat, dann wird die Ferse jedes Fußes des Roboters in eine angenähert vertikale, mit dem Zeh angenähert fluchtende Stellung angehoben oder aufgerichtet. Da der Hubbetrag der Ferse (der Winkel, um den die Ferse zu bewegen ist) und die maximale Gelenkwinkelgeschwindigkeit zunehmen werden, steigen die Leistungen des Stellglieds, was bei der Ganggestaltung nicht bevorzugt ist. Insbesondere, wenn der Roboter mit einem schnellen Schritt läuft, wobei die Zeit der Doppelstützphase reduziert ist, nimmt die Winkelgeschwindigkeit der Knöchelgelenke zu, was zu einem Problem führt.
Nur vom obigen Standpunkt her würde ein Gehmuster eines zweibeinigen Roboters mit geringem Fersenhubbetrag als qualitativ guter Gang angesehen.
Wenn jedoch die Fersen eines Roboters gar nicht angehoben werden, kann man sich leicht vorstellen, daß der Roboter ein Gehmuster hat, mit dem die Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers niedrig ist, d. h. in Schwerkraftrichtung klein ist und die Knie gebogen werden. Insofern die Ferse in der Doppelstützphase nicht angehoben wird, muß gleichzeitig der Fuß in einer Fußanhebephase schneller angehoben werden mit der Folge, daß die Geschwindigkeit, mit der das Knie des schwingenden Beins gebogen wird, zunimmt.
Für den Gang eines zweibeinigen Schreitroboters ist auch der Betrag vertikaler Verlagerung (Verlagerung oder Bewegung in Schwerkraftrichtung) des Körpers 24 ebenfalls ein wichtiger Gangparameter. Der vertikale Verlagerungsbetrag des Körpers 24 kann nicht lediglich aus der Länge der Beinglieder allein bestimmt werden, weil sich die Länge der Beinglieder ändert, wenn die Kniegelenke 16R(L) gestreckt und gebogen werden. Jedoch läßt sich der vertikale Verlagerungsbetrag des Körpers 24 nach einer strengen Bedingung bestimmen, derart, daß eine "geometrisch höchstmögliche Trajektorie gewählt wird."
Geometrisch kann jede beliebige Trajektorie für den Körper 24 insofern gewählt werden, als sie niedriger ist als die geometrisch höchstmögliche Trajektorie. Da die Vertikalverlagerung des Körpers 24 in großem Maße für Stöße verantwortlich ist, die erzeugt werden, wenn die Füße aufgesetzt werden (Bodenreaktionskraft), wird der Körper 24 bevorzugt auf eine Trajektorie mit reduzierter (vertikaler) Amplitude seiner vertikalen Verlagerung gesetzt. Natürlich wird eine solche reduzierte Amplitude der Vertikalverlagerung des Körpers 24 erzielt, indem man dessen Trajektorie niedriger legt.

4) Bestimmung eines geeigneten Bereichs für den Hubbetrag der Ferse:

Fig. 5 zeigt, wie sich die Höhe der Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers 24 ändert, wenn sich der Hubbetrag der Ferse ändert, unter einer strengen oder einschränkenden Bedingungen, daß die vertikale Beschleunigung (die Beschleunigung der Verlagerung des Roboters in der Richtung der z-Achse, d. h. der Schwerkraftrichtung) auf einem konstanten Wert oder darunter gehalten wird. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Höhe der Trajektorie stark gesenkt wird, wenn der Hubbetrag der Ferse unter einem bestimmten Winkel liegt. Dieses Phänomen versteht sich derart, daß, wenn die Ferse nicht hoch genug angehoben wird, die Fußbewegung des hinteren Beins beschränkt und somit der Körper abgesenkt wird.
Im Hinblick auf die obigen Daten wird nach einem Verfahren der Ausführung ein geeigneter Bereich für den Hubbetrag der Ferse auf der Basis des Prinzips bestimmt, daß die Ferse um einen Betrag oder einen Weg angehoben werden sollte, der groß genug ist, um die Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers hochzuhalten. Insbesondere wird die Ferse angehoben, damit sich der Fuß abstoßen kann, der der Fuß des hinteren Beins beim Gehen des Roboters ist, um den Körper zu tragen, während die Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers hochgehalten wird.
Um den geeigneten Bereich des Hubbetrags der Ferse auf der Basis des obigen Konzepts zu bestimmen, muß man die Position des Körpers zu dem Zeitpunkt schätzen oder vorhersagen, zu dem der abstoßende Fuß gerade seine Abstoßaktion beendet hat, um sicherzustellen, daß der Roboter die stabile Haltung beibehält. D. h. es wird die Höhe des Schwerpunkts des Körpers 24 in Schwerkraftrichtung der Trajektorie auf einen gewünschten Wert gesetzt, und die Position des Körpers 24 zu dem Zeitpunkt, zu dem der abstoßende Fuß seine Abstoßaktion gerade beendet hat, wird geschätzt.
Da, wie oben beschrieben, Gehmuster einen sehr großen Freiheitsgrad besitzen, kann die genaue Position des Körpers nicht allein bestimmt werden. Jedoch zeigen Ergebnisse der Studie einer Anzahl von Gehmustern, daß die Position des Körpers 24 zu dem Zeitpunkt, zu dem der abstoßende Fuß seine Abstoßaktion gerade beendet hat, in der folgenden Weise angenähert werden kann:

5. Annäherungen der Körperposition zu dem Zeitpunkt, zu dem der abstoßende Fuß seine Abstoßaktion gerade beendet hat (am Ende der Doppelstützphase):

Es wird angenommen, daß die Oberschenkel 28R(L) und die Unterschenkel 30R(L) des zweibeinigen Schreitroboters 1 jeweils eine Länge von 400 mm haben und der zweibeinige Schreitroboter 1 eine Gehgeschwindigkeit von 1 bis 4 km/h hat. Da sich der Roboter nicht im statischen Gang bewegen kann, sondern sich in diesem Gehgeschwindigkeitsbereich vollständig im dynamischen Gang bewegt, reicht der Gehgeschwindigkeitsbereich für eine Betrachtung von Gehmustern im dynamischen Gang aus.
Zur einfacheren Beschreibung des Gegenstands wird hier eine Bewegung des zweibeinigen Schreitroboters, der sich dreidimensional bewegt, in der Frontalebene nicht betrachtet, da dies für diesen Gegenstand nicht wesentlich ist.
Bei der Bewegung des zweibeinigen Schreitroboters in der Sagittalebene beeinflußt die Art und Weise, in der die Mitte der auf die Fußsohle wirkenden Last (gleich dem ZMP oder der Mitte der momentanen Bodenreaktionskraft) verschoben oder verlagert wird, die Gehmuster.
Die Lastmitte in der Fußsohle beim normalen Gehmuster eines Menschen ist im Durchschnitt in der Nähe der Fußmitte positioniert, obwohl sie unregelmäßig fluktuiert. Der dargestellte zweibeinige Schreitroboter muß nicht notwendigerweise den gleichen Punkt in der Fußsohle wie ein Mensch aufweisen. Wenn jedoch die Lastmitte in der Fußsohle des Roboters in der Nähe der geometrischen Mine der Sohle des Fußes 22R(L) positioniert ist, dann ist es wirkungsvoll, eine Grenze, mit der Kräfte zur Erholung oder Restoration von Störungen zu erzeugen sind, anzuheben. Daher wird ein solches Gehmuster für den Roboter als praktisch effektives Gehmuster betrachtet.
Auf der Basis des obigen Konzepts wird grundlegend die Lastmitte der Fußsohle (in Fig. 2 mit P bezeichnet) in der Nähe der geometrischen Mitte der Sohle des Fußes 22R(L) gewählt, insbesondere mit einem Abstand von 30 mm in der Vorwärtsrichtung von einem Punkt gewählt, der von dem Schnittpunkt zwischen den Knöchelgelenken 18, 20R(L) vorsteht, d. h. dem Schnittpunkt zwischen den Achsen 36, 42. Jedoch kann die Lastmitte auch anderweitig positioniert werden, wenn es schwierig ist, den gesamten Fuß mit dem Boden in Kontakt zu bringen, wenn etwa der Roboter auf unregelmäßigen Oberflächen oder schmalen Aufsetzstellen geht.
Unter der obigen Bedingung wurden die folgenden Ergebnisse erhalten, nachdem verschiedene Gehmuster untersucht wurden.
Die Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers 24 geht mit einer vertikalen Verlagerung in Richtung der z-Achse einher, wie aus der Tatsache ersichtlich ist, daß man sich den Körper als umgekehrtes Pendel vorstellen kann. Infolgedessen ändert sich auch die (Verlagerungs-) Geschwindigkeit, mit der sich der Körper 24 in den Richtungen der x- und y-Achsen verlagert. Bei normalem Gehen ist die Höhe des Körpers in einer Doppelstützphase niedrig, und die Verlagerungsgeschwindigkeiten des Körpers in der Doppelstützphase sind größer als die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit des Roboters. Wie in Fig. 6 gezeigt, sind Schwankungen der Verlagerungsgeschwindigkeiten des Körpers bei langsamem Gang groß, und bei schnellem Gang klein. Bei der Größe des ausführungsgemäßen Roboters sind die Verlagerungsgeschwindigkeiten des Körpers bei 2 km/h etwa 20% größer als die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit (bei Gehen mit konstanter Geschwindigkeit), und bei 3 km/h etwa 10% größer als die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit.
Die Verlagerungsgeschwindigkeiten des Körpers sind bei 1 km/h etwa 70% größer als die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit, was für die Größe dieses Roboters ein langsames Gehen darstellt. Extreme Geschwindigkeitsschwankungen bei langsamem Gang liegen nahe an einem statischen Gehmuster. Im Bereich eines solchen Gehmusters kann der Hubbetrag der Ferse wie beim statischen Gang ausgestaltet werden und beeinflußt nicht die vertikale Beschleunigung und die Effizienz beim Energieverbrauch. Daher ist es nicht notwendig, das Gestaltungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung im Bereich eines solchen Gehmusters anzuwenden. Daher kann im Gehgeschwindigkeitsbereich, in dem die Geschwindigkeitsschwankungen nicht sehr groß sind, der Hubbetrag der Ferse durch diejenige Gehgeschwindigkeit angenähert werden, die die durchschnittliche Geschwindigkeit der Verlagerung des Körpers ist.
In der Doppelstützphase verlagert sich der Schwerpunkt des Roboters vom hinteren Bein zum vorderen Bein. Fig. 7 zeigt die Position des Körpers 24 in der Doppelstützphase bei einer Gehgeschwindigkeit im Bereich von 1 bis 4 km/h. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass die Position des Körpers 24 in der Doppelstützphase im wesentlichen in der Mitte zwischen den Knöchelgelenken 18, 20R(L) des vorderen Beins und des hinteren Beins liegt, und ihre Beziehung zur Gehgeschwindigkeit ist gering.
Eine detaillierte Betrachtung der Position des Körpers 24 zeigt, daß die Position des Körpers 24 ein wenig von der Position der Lastmitte in der Fußsohle in der Doppelstützphase sowie vom Winkel abhängig ist, durch den sich die Ferse 46b des Fußes des hinteren Beins, welches das abstoßende Bein ist, angehoben wird.
Fig. 8 zeigt, wie sich die Position des Körpers 24 ändert, wenn die Lastmitte in der Sohle des Fußes 22R(L) von der geometrischen Mitte des Fußes nach hinten und vorne verlagert wird, wenn die Gehgeschwindigkeit 2 km/h und die Schrittweite 500 mm beträgt. Wie oben beschrieben, ist die geometrische Mitte des Fußes mit einem Abstand von 30 mm vor der Position des Knöchelgelenks angeordnet, wie in Fig. 2 mit P angegeben. Aus Fig. 8 ist verständlich, daß, wenn die Lastmitte nach vorne bewegt wird, sich der Körper 24 nach vorne bewegen will. Der Weg, um den sich die Position des Körpers 24 bewegt, ist angenähert proportional zum Betrag oder Weg, um den sich die Lastmitte nach vorne bewegt. Jedoch ist der Betrag oder Weg, um den sich die Position des Körpers 24 bewegt, nicht gleich, sondern kleiner als der Betrag oder Weg, um den sich die Lastmitte nach vorne bewegt.
Wenn die Lastmitte auf den Punkt P gesetzt ist, bewegt sich der Körper 24 um 50 mm von der zwischenliegenden Stelle nach hinten, wenn der Fuß auf dem Boden aufsetzt, und 70 mm von der zwischenliegenden Stelle nach vorne, wenn der Fuß vom Boden abgehoben wird. Die Position des Körpers 24 in der Doppelstützphase wird von der zwischenliegenden Stelle im Durchschnitt um 10 mm nach vorne verlagert.
Die Position des Körpers 24 bewegt sich auch in Abhängigkeit vom Hubbetrag der Ferse (der Winkel, um den die Ferse 46b angehoben wird). Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Position des Körpers 24 und dem Hubbetrag der Ferse, wenn die Gehgeschwindigkeit 2 km/h und die Schrittweite 500 mm beträgt. Eine Studie der Position des Körpers 24 bei verschiedenen Hubbeträgen (Winkeln) im Bereich von keinem Fersenanheben bis zu einem Fersenanheben über 0,9 (rad.) zeigt, daß sich beim Heben der Ferse die Position des Körpers 24 in der Doppelstützphase um einen Betrag von 10 mm oder mehr nach hinten verlagern will.
Aus den obigen zwei Feststellungen ist ersichtlich, daß am Ende der Doppelstützphase, d. h. wenn das hintere Bein vom Boden abgehoben wird, jeglicher Fehler der Position des Körpers 24 in ein Maximum von etwa 30 mm nach vorne fällt, auch wenn angenommen wird, daß sich der Körper 24 von der zwischenliegenden Stelle zwischen dem vorderen Bein und dem hinteren Bein für die Hälfte der Zeit der Doppelstützphase mit der momentanen Gehgeschwindigkeit bewegt hat.
Der Fehler erscheint in gewissem Umfang durch Parameter korrigierbar, welche die Größe des Roboters und die Gehgeschwindigkeit beinhalten. Wenn jedoch eine zu komplizierte Korrekturformel verwendet wird, dann ist es schwierig, dessen Parameter zu bestimmen, und die Korrekturformel wäre bei der Ausgestaltung spezifischer Details von Stellgliedern nicht verwendbar.
Im Hinblick auf die obigen Betrachtungen ist es praktisch vernünftig, einfach anzunehmen, daß sich am Ende der Doppelstützphase, d. h. wenn das hintere Bein vom Boden abgehoben hat, der Körper von der zwischenliegenden Stelle zwischen dem vorderen Bein und dem hinteren Bein für die Hälfte der Zeit der Doppelstützphase mit der momentanen Gehgeschwindigkeit bewegt hat.

6. Hubbetrag der Ferse:

Ein minimaler Hubbetrag der Ferse wird so berechnet, wie in Fig. 10 gezeigt, damit der abstoßende Fuß (das hintere Bein) den Boden in bezug auf die Position des Schwerpunkts des Körpers erreichen kann, der wie oben beschrieben angenähert geschätzt wurde.
Es wird angenommen, daß L die Summe der Länge (L1) des Oberschenkels und der Länge (L2) des Unterschenkels bezeichnet (dies bedeutet eine Trajektorie mit dem ausgestreckten Bein), ST die (Geh-)Schrittweite bezeichnet, PS den Anteil der Doppelstützphase in einer Gehperiode bezeichnet, LT die Länge von dem Punkt, der von dem Schnittpunkt zwischen den Knöchelgelenken 18, 20R(L) an der Fußsohle vorsteht, zur Zehe bezeichnet, LA die Länge von der Fußsohle zum Schnittpunkt zwischen den Knöchelgelenken 18, 20R(L) bezeichnet, LD die Distanz bezeichnet, um die sich der Körper in der Doppelstützphase bewegt, LH, LP, thA, thB und thC jeweilige in Fig. 10 gezeigte Dimensionen bezeichnen und thHmin den minimalen Hubbetrag der Ferse bezeichnet. Die obigen Dimensionen werden wie folgt ausgedrückt:
LD = ST · PS,
LS = 0.5 · (ST - LD),
LH = LA + (L · L - LS · LS),
LP = ST - LS - LT,
thC = tan&supmin;¹(LH/LP),
thA = tan&supmin;¹(LA/LT),
LB = (LT · LT + LA · LA),
LX = (LP · LP + LH · LH),
thB = cos&supmin;¹((LB · LB + LX · LX - L · L)/2.0/LB/LX), und
thHmin = π - thA - thB - thC.
Der Betrag thHmin des Fersenhubs des abstoßenden Fußes, der erforderlich ist, damit der Schwerpunkt des Körpers 24 für die Hälfte der Zeit der Doppelstützphase mit der momentanen Gehgeschwindigkeit eine Position (mit LS bezeichnet) erreicht, wird als Untergrenze verwendet und es soll ein Gang erzeugt werden, um eine solche Haltung zu erreichen.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß der Betrag des Kippens oder der Neigung des Fußes unter Verwendung der Gleichung gesteuert werden kann:
thH = f (PS, ST), oder
thH = π - thA - thB - thC.
Da bei dem in der Ausführung offenbarten Roboter der Zeh 46a des Fußes im Bogen geschwenkt oder gedreht wird und der Radius der Bogen- oder Kurvenform davon klein ist und er lediglich zur Endspitze des Fußes addiert wird, kann die Länge LT wie oben beschrieben definiert werden, während die Bogenform ignoriert wird.
Die Hubbeträge der Ferse, die in bezug auf verschiedene Schrittweiten und die Anteile der Doppelstützphase berechnet sind, sind in Fig. 11 gezeigt.
In bezug auf die Obergrenze thHmax des Hubbetrags der Ferse ist es im Hinblick darauf, die Höhe der Trajektorie des Körperschwerpunkts in der Schwerkraftrichtung so weit wie möglich anzuheben, nicht wirkungsvoll, die Ferse 46b über eine Höhe hinweg anzuheben, in der der Zeh 46a, das Knöchelgelenk 18R(L) und das Hüftgelenk 12R(L) im wesentlichen miteinander fluchten, wie in Fig. 12 gezeigt. Daher wird die Obergrenze thHmax wie folgt definiert:
thHmax = π - thA - thC.
Wenn die Ober- und Untergrenzen des Hubbetrags der Ferse auf diese Weise bestimmt sind, kann ein Gestaltungswert für den Hubbetrag der Ferse im Prinzip zwischen diesen Ober- und Untergrenzen liegen. Da jedoch die Untergrenze ein Minimalbetrag oder -weg ist, der erforderlich ist, um die Trajektorie des Körperschwerpunkts auf einer gewünschten Höhe zu halten, kann, wenn die Ferse 46b höher angehoben wird, die Höhe des Körpers auf ein gewisses Ausmaß angehoben werden (siehe Fig. 5). Solange es daher die Antriebsleistung der Stellglieder gestattet, ist es unproblematisch, die Ferse 46b über die Untergrenze hinweg anzuheben.
Nach dieser Ausführung wird im Hinblick darauf, einen Abstand von der Untergrenze zu halten und die Ferse nicht unnötig anzuheben, der Mittelwert der Ober- und Untergrenzen als ein Gestaltungswert für den Hubbetrag der Ferse gewählt.

7. Fortsetzung des Prozesses zur Gestaltung von Stellgliedern:

Nachdem der Hubbetrag der Ferse bestimmt worden ist, geht das Programm zu S16, in dem Bedingungen zum Bewegen oder Versetzen des Fußes bestimmt werden, beispielsweise des Hubbetrags des Fußes des hinteren Beins. Die Trajektorie des Fußes 22R(L) kann durch eine Spline-Funktion, die in einem Bereich akzeptabler Trajektorienbedingungen eine glatte Trajektorie erzeugt, oder jedes andere Mittel zum Erzeugen glatter Kurven erzeugt werden, nachdem der Hubbetrag der Ferse zu dem Zeitpunkt, zu dem das Trag- (hintere)Bein vom Boden in der Doppelstützphase angehoben wird, bestimmt worden ist.
Dann geht das Programm zu S18 in Fig. 4, in dem die vertikale Amplitude der Körpertrajektorie vorübergehend oder provisorisch festgelegt oder bestimmt wird, und in S20 wird durch Suche ein Gang optimiert. Insbesondere wird ein Gang optimiert, um die Winkelgeschwindigkeiten der Gelenke und die Verlagerungsbeschleunigung des Körpers 24 in Richtung der x- und y-Achsen zu minimieren. Dann wird in S22 ein Kandidat für einen optimalen Gang bestimmt.
Es wurden verschiedene Verfahren zum Erzeugen eines dynamischen Gangs vor der Optimierung des Gangs entwickelt (ein Beispiel ist das Journal of Robotic Society of Japan, Vol. 11, Nr. 3, "Biped Walking Robot Compensating Moment by Trunk Motion"). Das Verfahren kann zum Erzeugen eines Gangs angewendet werden. Die obige Schrift offenbart ein Verfahren zum Erzeugen eines Gangs aus der Trajektorie eines schwingenden Beins und der Trajektorie eines ZMP, während die Position des Schwerpunkts des Körpers (Rumpfes) auf einer konstanten Höhe gehalten wird. Es gibt kein Problem, auch wenn eine glatte Trajektorie bestimmt wird, um den Körper so hoch zuhalten, daß die Knie nicht gebogen werden. Die Trajektorie kann direkt oder in Abhängigkeit von der Trajektorie des schwingenden Beins und der Trajektorie des ZMP unter restriktiven oder strengen Bedingungen bestimmt werden, durch die die Haltungsstabilität separat sichergestellt wird.
Der Gang, der in den Prozessen bis zu S22 erzeugt wurde, braucht nicht notwendigerweise Bedingungen genügen, ob etwa Stöße, die durch Aufsetzen des Fußes verursacht werden (Bodenreaktionskraft), in einen zulässigen Bereich in bezug auf die Vertikalbeschleunigung des Körpers fallen (die Beschleunigung oder die Verlagerung in Richtung der z-Achse). Daher wird in S24 ein Maximalwert für die Vertikalbeschleunigung des Oberkörpers festgelegt, so daß die Vertikalbeschleunigung in einem Bereich unter dem Maximalwert gehalten wird. Nachfolgend werden Details des oben stehenden beschrieben.

8. Beziehung zwischen der Gehgeschwindigkeit und dem Betrag der Vertikalverlagerung des Körpers:

Bei dem in Fig. 1 gezeigten zweibeinigen oder bipeden mobilen Roboter 1 bildet das Gewicht des Körpers 24 einen beträchtlichen Anteil des Gesamtgewichts des Roboters. Da der Betrag der Vertikalverlagerung des Schwerpunkts des Körpers in direktem Bezug zu dynamischen Lasten steht, die auf die Beine wirken, sowie Stöße, die vom Boden einwirken (Bodenreaktionskraft), ist die Ausgestaltung der Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers ein wichtiges Thema, das zu berücksichtigen ist.
Insbesondere werden Trägheitskräfte, die durch vertikale Verlagerung des Schwerpunkts des Körpers erzeugt werden, bei der Ausgestaltung von Ausgaben von Stellgliedern berücksichtigt, die an den Beingliedern anzubringen sind, welche den Roboter tragen, und beziehen sich im Hinblick auf die Gehsteuerung, d. h. die Haltungsstabilität, auch auf die Festigkeit der Beinglieder, die Festigkeit des sechsdimensionalen Kraft- und Drehmomentsensors 44 zum Messen der Reaktionskräfte vom Boden, der direkt die Kräfte abfängt, sowie die Fähigkeit der Füße, den Boden zu berühren. Im Hinblick auf diese Aspekte sollte jede vertikale Verlagerung des Schwerpunkts des Körpers bevorzugt klein sein. Jedoch ergibt eine geringere vertikale Verlagerung des Schwerpunkts des Körpers ein Gehmuster, bei dem die Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers niedrig ist und der im Energieverbrauch hoch ist. Daher sollte der Schwerpunkt des Körpers mit einem gewissen Grad vertikal verlagert werden.
Nichtsdestoweniger ist es erforderlich, die vertikale Verlagerung zu begrenzen, um auf die Beine wirkende Lasten auf unter einen gewissen Pegel zu reduzieren. Der Roboter wird nicht vom Boden hochhüpfen oder wegspringen, wenn die vertikale Beschleunigung 1 G nicht überschreitet. Wenn nämlich die Vertikalbeschleunigung wesentlich kleiner als 1 G ist, kann die Fähigkeit der Füße, den Boden zu berühren, aufgrund von Unregelmäßigkeiten der Bodenfläche, Steuerfehlern etc. abnehmen. Bei der dargestellten Roboterstruktur stellte sich experimentell heraus, daß kein Problem entsteht, wenn die Vertikalbeschleunigung auf einem Niveau von etwa 0,2 G gehalten wird.
Das Absenken der Vertikalbeschleunigung auf ein solches Niveau schränkt jedoch die Gehmuster stark ein. Außer für langsame Gehmuster, bei denen die Vertikalbeschleunigung kein Problem verursacht, ist daher häufig ein solches Gehmuster ein optimales Gehmuster, bei dem die Vertikalbeschleunigung bis zu ihrer Obergrenze erzeugt wird, die in Abhängigkeit hauptsächlich von der mechanischen Festigkeit bestimmt ist. Um ein solches Gehmuster zu realisieren, bei dem die Vertikalbeschleunigung bis zu ihrer Obergrenze erzeugt wird, muß man die Gehgeschwindigkeit und die Vertikalbeschleunigung des zweibeinigen Schreitroboters zu diskutieren.
Insofern die Trajektorienkonfiguration der vertikalen Verlagerung, die durch das Gehen verursacht wird, gleich bleibt, nimmt allgemein die Geschwindigkeit der Vertikalverlagerung proportional zur Gehgeschwindigkeit zu, und die Vertikalbeschleunigung nimmt proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit zu. Wenn man der Kürze wegen annimmt, daß die Trajektorie der Vertikalverlagerung durch eine Sinuswelle mit einer Amplitude A und einer Wellenlänge L dargestellt wird, dann wird die Höhe H des Körpers, wenn sich der Roboter mit einer Gehgeschwindigkeit V bewegt, ausgedrückt durch:
H = Asin(2πV/Lt)
wobei t die Zeit ist.
Durch zweifache Differenzierung der obigen Gleichung in bezug auf die Zeit t wird die Beschleunigung DDH durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
DDH = - A(2πV/L)²sin(2πV/Lt).
Bei dieser Gleichung ist die Beschleunigung DDH der Vertikalbewegung proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit V.
Obwohl eine tatsächliche Trajektorie der Vertikalverlagerung kerne Sinuswelle (Funktion) ist, kann sie auf eine Fourier-Reihenserie reduziert werden, da sie eine periodische Funktion ist. Da die Beschleunigung jeder ihrer Größen proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit V ist, ist natürlich die Stärke der durch Vertikalverlagerung verursachten Vertikalbeschleunigung proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit V, wenn die Trajektorienkonfiguration der Vertikalverlagerung unabhängig von der Gehgeschwindigkeit vollständig gleicht bleibt.
Die Bewegung der zweibeinigen Schreitroboters unterliegt jedoch gemäß der Bewegungsgleichung starken Einschränkungen. Es ist schwierig, die Trajektorie der Vertikalverlagerung des Körpers vollständig unverändert zu halten, wenn die Gehgeschwindigkeit geändert wird. Daher kann man streng genommen nicht sagen, daß die Stärke der Vertikalbeschleunigung proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit V ist.
Um das Obenstehende vom Standpunkt der Konstruktion her zu nutzen, muß man herausfinden, wie groß der Fehler sein kann. Als Ergebnis der Ausgestaltung und der Analyse von Gängen unter vielen Bedingungen stellte sich heraus, daß die Stärke der Vertikalbeschleunigung qualitativ angenähert proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit V ist.
Fig. 13 bis 16 zeigen simulierte Daten der Trajektorie des Schwerpunkts und der Vertikalbeschleunigung des Körpers 24, wenn die Längen der Oberschenkel 28R(L) und der Unterschenkel 30R(L) 400 mm betragen, die Knöchelgelenkhöhe (LA) 140 mm beträgt, das Gewicht des Roboters 1 100 kg beträgt und die Amplitude der Vertikalverlagerung des Schwerpunkts des Körpers 24 bei Gehgeschwindigkeiten von 2 km/h, 3 km/h, 4 km/h und 5 km/h auf einem konstanten Niveau von 22 mm gehalten wird.
Aus den Fig. 13 bis 16 ist ersichtlich, daß mit zunehmender Gehgeschwindigkeit die Trajektorienkonfigurationen der Vertikalverlagerung einander außerordentlich ähnlich erscheinen, obwohl sich ihre Zeitbasis in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit ändert, und die Vertikalbeschleunigung wie erwartet zunimmt. Die Beziehung zwischen der Gehgeschwindigkeit und der maximalen Vertikalbeschleunigung ist in Fig. 17 mit der durchgehenden Linie angezeigt. Die unterbrochene Linie in Fig. 17 bezeichnet berechnete Werte für die Vertikalbeschleunigung, von der angenommen wird, daß sie proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit ist, wobei als Referenz die Vertikalbeschleunigung bei 2 km/h verwendet wird. Ein Vergleich zwischen den durchgehenden und unterbrochenen Linien zeigt, daß die Vertikalbeschleunigung angenähert, jedoch nicht genau proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit ist.
Bei dem zweibeinigen Schreitroboter, der seine Gehgeschwindigkeit wie oben beschrieben ändern kann, wurden Anforderungen für die Vertikalbeschleunigung des Körpers in Abhängigkeit von der Beinfestigkeit und der Sensorfestigkeit bestimmt, und sie sind nicht stark von der Gehgeschwindigkeit abhängig.
Um im. Hinblick hierauf ein Gehmuster zu realisieren, bei dem die Vertikalbeschleunigung bis zu ihrer Obergrenze erzeugt wird, kann eine Amplitude der Vertikalverlagerung bestimmt werden, die unabhängig von der Gehgeschwindigkeit konstant ist und für die die Vertikalbeschleunigung bis zu ihrer Obergrenze erzeugt wird.
Insbesondere, wenn die Amplitude der Vertikalverlagerung umgekehrt oder reziprok proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit V reduziert wird, dann kann die Vertikalbeschleunigung im wesentlichen konstant gemacht werden. Im Ergebnis kann bei allen Gehgeschwindigkeiten ein Gehmuster realisiert werden, das die mechanischen Eigenschaften des Roboters minimiert, welche die Beinfestigkeit, die Sensorfestigkeit etc. beinhalten, während eine stabile Haltung eingehalten wird.
Aufgrund des Obigen kann ein Gang für einen zweibeinigen Schreitroboter erzeugt werden, dessen Oberschenkel und Unterschenkel eine Länge von jeweils 400 mm besitzen, dessen Knöchelgelenke eine Höhe von 140 mm besitzen und dessen Gewicht 100 kg beträgt, um mit einer Gehgeschwindigkeit von 2 km/h mit einer Vertikalbeschleunigung von 2000 mm/sec² zu gehen. Die Amplitude der Vertikalverlagerung beträgt hierbei 22 mm.
Aufgrund des obigen Gangs erfolgt die Ganggestaltung durch Ändern der Amplitude der Vertikalverlagerung des Körpers derart, daß sie umgekehrt oder reziprok proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit ist. Fig. 18 zeigt die Vertikalbeschleunigung des Roboters in seiner Gesamtheit in bezug auf einen Gang, bei dem bei einer Gehgeschwindigkeit von 3 km/h die Amplitude der Vertikalverlagerung 9,7 mm beträgt, was das (2/3)² = 4/9-fache der Amplitude der Vertikalverlagerung von 22 mm bei der Gehgeschwindigkeit von 2 km/h ist. Fig. 19 zeigt die Vertikalbeschleunigung des Roboters in seiner Gesamtheit in bezug auf einen Gang, bei dem bei einer Gehgeschwindingkeit von 5 km/h die Amplitude der Vertikalverlagerung 3,5 mm beträgt.
Bei der Gehgeschwindigkeit von 3 km/h nimmt wie erwartet die Vertikalbeschleunigung ab. Bei der Gehgeschwindigkeit von 5 km/h nimmt jedoch die Vertikalbeschleunigung ein wenig zu. Die Vertikalbeschleunigung nur des Körpers ist für eine detaillierte Betrachtung der obigen Daten in Fig. 20 gezeigt. Aus Fig. 20 ist ersichtlich, daß die Vertikalbeschleunigung nur des Körpers gut unterdrückt wird. Das bedeutet, daß bei der Gehgeschwindigkeit von 5 km/h die Vertikalbeschleunigung, die durch Trägheitskräfte (z-Achsenkomponente) der Beinglieder (schwingendes Bein) erzeugt wird und die bei langsamem Gehen ignoriert werden kann, nicht ignoriert werden kann.
Bemühungen, die Vertikalverlagerung des Körpres 24 zu reduzieren, um mit dem obigen Problem zurechtzukommen, sind natürlich irrelevant. Wenn ein schnelles Gehen erforderlich ist, dann werden gewisse Gegenmaßnahmen, wie etwa eine konstruktive Festigkeitsspanne, im Hinblick auf Faktoren ergriffen, die für die Zunahme der Vertikalbeschleunigung verantwortlich sind. Wenn die Amplitude der Vertikalverlagerung des Körpers somit umgekehrt oder reziprok proportional zum Quadrat der Gehgeschwindigkeit ist, lassen sich Hauptkomponenten von Stößen reduzieren, die durch Vertikalbeschleunigung des gesamten Roboters vom Boden aufgenommen werden, um hierdurch die Stöße in einem weiten Bereich von Gehgeschwindigkeiten zu dämpfen.
Insbesondere ist es zum Erhalt einer maximalen Vertikalbeschleunigung für den Körper notwendig, die dynamische Festigkeit des Robotors, die Stabilität der Bodenfläche und die Fähigkeit des Fußes, den Boden zu berühren, zu berücksichtigen. Experimentelle Daten zeigen, daß die Fähigkeit des Fußes, den Boden zu berühren, nicht problematisch ist, wenn die maximale Vertikalbeschleunigung etwa ± 2000 mm/sec² beträgt, obwohl dieser Wert von den Umständen abhängig ist.
Zurück zum in Fig. 4 gezeigten Flußdiagramm. Das Programm läuft als Schleife über S26, S28, S20, S22, S24, um eine Korrektur zur Reduktion der Amplitude der Vertikalverlagerung der Trajektorie des Körpers durchzuführen und einen Gang für die Trajektorie zu regenerieren, um hierdurch den Gang zu optimieren. Wenn die resultierende Vertikalverlagerung etwa die gleiche wie ein Sollwert ist, dann wird in S30 diese als ein optimaler Gang bestimmt, der tatsächlich realisiert werden kann.
Nachdem der optimale Gang bestimmt ist, geht das Programm zu S32, in dem die Winkelgeschwindigkeit jedes der Gelenke direkt als Gelenkverlagerung bei dem Schritt bestimmt wird. Dann wird in S34 ein Gelenkdrehmoment T gemäß der Gleichung bestimmt:
T = (P-Z) · F
wobei P der Positionsvektor des Gelenkstellglieds zu jedem Zeitpunkt ist, Z der Positionsvektor des ZMP zu jedem Zeitpunkt ist und F der Vektor der Kraft vom Boden ist, der durch Bewegung des Schwerpunkts bestimmt wird.
Weil die maximale Winkelgeschwindigkeit und das maximale Drehmoment, die für das Gelenkstellglied erforderlich sind, somit bestimmt wurden, werden Spezifikationen für das Gelenkstellglied, welche diesen Maximalwerten genügen, in S36 bestimmt.
Nachfolgend wird ein Beispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Angenommen sei, daß der in Fig. 1 gezeigte Roboter 1 Parameter aufweist, wie sie in Fig. 21 gezeigt sind. Der Roboter 1 hat ein Gewicht von 100 kg, und der Anteil (PS) der Doppelstützphase in einer Zeitperiode zu Beginn eines Gehschritts beträgt 20%. Nachfolgend wird ein Verfahren beschrieben zum Bestimmen des Hubbetrags der Ferse für den Roboter zum Gang mit einer Gehgeschwindigkeit von 2 km/h und einer Schrittweite von 500 mm, und zum Bestimmen von Stellgliedspezifikationen gemäß einem optimalen Gang auf der Basis des Hubbetrags der Ferse.
Die obigen Daten werden auf die oben beschriebenen Gleichungen angewendet, um den Hubbetrag (Winkel) der Ferse zu bestimmen. Nach den in Fig. 22 gezeigten Prozessen, zusammengesetzt aus S100 bis S110, werden eine Obergrenze thHmax (56,29 Grad) und eine Untergrenze thHmin (9,64 Grad) für den Winkel oder Betrag bestimmt, und ein Winkel oder Betrag von 32,96 Grad, der ein Mittelwert thH dieser Ober- und Untergrenzen ist, wird als Gestaltungswert für den Hubbetrag der Ferse bestimmt.
Als nächstes soll die Trajektorie eines schwingenden Beins unter der Bedingung erzeugt werden, daß ein Winkel, um den die Ferse 46b vom Boden abzuheben ist, 32,96 Grad beträgt. Die Trajektorie sollte erzeugt werden, um zu ermöglichen, daß das Bein in der Gehperiode glatt nach vorne gebracht wird. Um die Robustheit gegenüber Unregelmäßigkeiten der Bodenfläche beizubehalten, sollte die Trajektorie gewählt werden, die den Fuß 22R(L) des schwingenden Beins um einen gewissen Betrag oder eine gewisse Distanz, z. B. 40 mm, anhebt. Die ZMP-Trajektorie sollte im Hinblick auf die dynamischen Umstände bestimmt werden.
Insbesondere sollte, um die Gehhaltung stabil zu halten, der ZMP im Prinzip so bestimmt werden, daß er sich in der Nähe der Mitte des Fußes 22R(L) befindet, und um sich in der Doppelstützphase glatt nach vorne zu bewegen. Es ist eine Übergangsperiode enthalten, so daß sich vor und nach einem Übergang zwischen einer Doppelstützphase und der Einzelstützphase der ZMP glatt vom Ende zur Mitte des Fußes bewegt. Die Trajektorie des Schwerpunkts des Körpers sollte auf der Basis der vorhandenen Bedingungen bevorzugt so bestimmt werden, daß sie so hoch wie möglich liegt.
Unter den obigen Situationen sollte die Trajektorie eines schwingenden Beins gesucht werden, um zuerst einen Gang zu bestimmen, bei dem die für die Stellgliedkonstruktion gewünschte Gelenkwinkelgeschwindigkeit minimal ist. Der somit bestimmte Gang wird keiner Bedingung der Vertikalbeschleunigung genügen, die hauptsächlich durch Bodenstöße bestimmt ist. Hier ist die Bedingung der Vertikalbeschleunigung ±2000 mm/sec². Der Gang, die Trajektorie der Vertikalverlagerung des Körpers und die Vertikalbeschleunigung sind in den Fig. 23, 24 und 25 gezeigt.
Da, wie aus Fig. 25 ersichtlich, die Bedingung der Vertikalbeschleunigung überschritten wird, wird die Trajektorie des Körpers korrigiert, um die Amplitude der Vertikalverlagerung des Körpers zu reduzieren, was die Vertikalbeschleunigung im Hinblick auf diesen Gang stark beeinflußt, um einen neuen Gang zu erzeugen. Der sich ergebende Gang ist in den Fig. 26, 27 und 28 gezeigt. Fig. 28 zeigt den Gang, der der Bedingung der Vertikalbeschleunigung genügt.
Auf diese Weise läßt sich der Gang bestimmen, der die Vertikalbeschleunigung berücksichtigt.
Die Winkelgeschwindigkeit jedes der Gelenke kann direkt aus dem Gang bestimmt werden. Die Winkelgeschwindigkeit des Knöchelgelenks 18R(L) bei diesem Gang ist in Fig. 29 gezeigt. Die Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks 16R(L) bei diesem Gang ist in Fig. 30 gezeigt. Die Winkelgeschwindigkeit des Hüftgelenks 12R(L) bei diesem Gang ist in Fig. 31 gezeigt. Dann werden die Gelenkdrehmomente nach den oben beschriebenen einfachen Berechnungen bestimmt.
Das Drehmoment des Knöchelgelenks 18R(L) bei diesem Gang ist in Fig. 32 gezeigt. Das Drehmoment des Kniegelenks 16R(L) bei diesem Gang ist in Fig. 33 gezeigt. Das Drehmoment des Hüftgelenks 12R(L) bei diesem Gang ist in Fig. 34 gezeigt. Jedoch sind die Drehmomente zur Betätigung des schwingenden Beins bei diesen Berechnungen nicht enthalten. Da die berechneten Werte unter der Bedingung standardisiert sind, daß das Gewicht des Roboters 1 kg beträgt, sind bei einem Gewicht des Roboters von 100 kg Drehmomente erforderlich, die das 100-fache der berechneten Werte betragen.
Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die maximale Winkelgeschwindigkeit und das maximale Drehmoment, die für das Stellglied erforderlich sind, für das Knöchelgelenk 18R(L) 24 Upm bzw. 15 kgm betragen, für das Kniegelenk 16R(L) 32 Upm bzw. 17 kgm und für das Hüftgelenk 12R(L) 32 Upm bzw. 11 kgm.
Die Gehsteuerung des dargestellten Roboters auf der Basis des so erzeugten Gangs wird nachfolgend kurz anhand von Fig. 35 beschrieben.
Zuerst werden verschiedene Teile des Systems in S200 initialisiert, und dann werden in S202 Gangparameter aus dem ROM 84 geladen. Der in der oben beschriebenen Weise für den Roboter erzeugte Gang wurde als Gangparameter in dem ROM 84 gespeichert. Dann wird in S204 auf ein Startsignal gewartet. Wenn das Startsignal erzeugt wird, wird in S206 ein Zähler inkrementiert.
Dann werden in S208 Haltungsparameter berechnet. In S208 werden diejenigen Gangparameter, die interpoliert werden müssen, bestimmt und es werden Haltungsparameter zu einer Zeit berechnet, die vom Zähler in S206 angezeigt wird. Dann werden in S210 die Winkel der zwölf Gelenke berechnet, und in S212 wird auf ein Synchronsignal gewartet. Wenn das Synchronsignal erzeugt wird, werden die berechneten Gelenkwinkel in S214 ausgegeben. Die obigen Schritte werden wiederholt, solange nicht in S216 bestimmt wird, daß das Gehen des Roboters beendet werden muß. Wenn das Gehen des Roboters beendet werden muß, dann wird in S218 der Zähler rückgesetzt, und das Programm endet.
Auf der Basis der Gelenkwinkel, die in S214 ausgegeben sind, führt die in Fig. 3 gezeigte zweite Berechnungseinheit 82 gleichzeitig eine Servosteuerung für die Gelenkwinkel aus, wie in Fig. 36 gezeigt. Eine solche Servosteuerung ist in der Technik bekannt und wird nicht beschrieben.
Mit der Anordnung wird es möglich, einen optimalen Gang zu erzeugen, indem vorab der Hubbetrag der Ferse eines abstoßenden Fußes bestimmt wird, der zum Realisieren des Gangs mit einer hohen Trajektorie des Schwerpunkts geeignet ist, d. h. eines geringen Energieverbrauchs. Mit dem somit vorab bestimmten Hubbetrag der Ferse können Gangkandidaten aus einer großen Anzahl von Gängen gewählt werden, welche physikalischen Bedingungen genügen, welche den Gang des Roboters erlauben. Infolgedessen kann die Gestaltung eines Gangs stark vereinfacht werden.
Die Erzeugung des Gangs kann weiter vereinfacht werden, da aus der Amplitude der Vertikalverlagerung des Schwerpunkts ein gewisser Standard für die Beschleunigung der Vertikalverlagerung erhalten wird, welcher eine enge Beziehung zu Stößen vom Boden (Bodenreaktionskraft) hat.
Ferner wird es möglich, unter einer Vielzahl möglicher Gänge, welche physikalischen Bedingungen genügen, die ein Gehen des Roboters gestatten, mögliche Kandidaten auszuwählen und einen Gang eines praktischen zweibeinigen Schreitroboters zu erzeugen, der es ermöglicht, daß Stellglieder und ihre Arbeitsgeschwindigkeiten quantitativ gestaltet oder bestimmt werden, und der ein Gehmuster mit einem Minimum übermäßiger Belastung erreicht, um Stöße vom Boden zu verringern, die für einen realen Roboter wichtig sind. Da insbesondere die Amplitude einer Trajektorie einer Verlagerung in Schwerkraftrichtung eines Schwerpunkts des Roboterkörpers und der Gang auf der Basis zumindest der bestimmten Amplitude erzeugt wird, können Stöße verringert werden. Die Fortbewegung kann in einem weiten Geschwindigkeitsbereich bestimmt werden, der für den Roboter geeignet ist. Die möglichen Kandidaten oder Lösungen können reduziert werden, um hierdurch die Gangerzeugung des Roboters zu vereinfachen.
Fig. 37 bis 39 zeigen eine Fußkonfiguration eines anderen zweibeinigen Schreitroboters, bei dem das Gangerzeugungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung anwendbar ist.
Wie in den Fig. 37 bis 39 gezeigt, umfaßt der Fuß ein im wesentlichen C- förmiges Element 220 und ein im wesentlichen rechtwinkliges Element 222, die durch Stangen 224 miteinander verbunden sind. Die Stangen 224 sind in Löcher eingesetzt, die in dem C-förmigen Element 220 und dem rechtwinkligen Element 222 gebildet sind. Die Stange 224 ist durch einen Stift 226 an dem C-förmigen Element 220 befestigt. Die Stangen 224 dienen als Zehengelenk. Die in dem rechtwinkligen Element 222 gebildeten Löcher haben einen Durchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser der Stangen 224, so daß das rechtwinklige Element 222 um die Stangen 224 herum im Winkel beweglich oder drehbar ist. In dem rechtwinkligen Element 222 nahe seiner Mitte ist ein großes kreisförmiges Loch 228 gebildet. Der vorgenannte sechsdimensionale Kraft- und Drehmomentsensor (nicht gezeigt) ist in dem kreisförmigen Loch 228 angeordnet, und das Knöchelgelenk 18, 20R(L) (siehe Fig. 1) ist mit einem oberen Abschnitt der Wand verbunden, die das kreisförmige Loch 228 enthält.
Eine Feder 229 ist um eine der Stangen 224 herum angeordnet und wirkt zwischen der Stange 224 und dem rechtwinkligen Element 222, um das rechtwinklige Element 222 zur Aufwärtsdrehung in der Schwerkraftrichtung vorzuspannen. Wenn daher das Knöchelgelenk 18 um seine Achse 36 gedreht wird (siehe Fig. 2), folgt das rechtwinklige Element 222, um vom Boden abzuheben. Hierbei wird nur das C-förmige Element 220 an der Fußsohle mit dem Boden in Kontakt gehalten. Es kann schwierig sein, die Länge (die vorgenannte Länge LT in Fig. 10) bis zur in Fig. 37 gezeigten Fußzehe genau zu bestimmen. Jedoch kann im Prinzip als die Länge eine Länge bis zu einem Punkt verwendet werden, die beim Anheben der Ferse als Äquivalent zu einer Hebelstütze betrachtet wird.
Da bei der in Fig. 37 gezeigten Anordnung die Achse des Zehengelenks ein wenig über der Bodenfläche liegt, ist es nicht ganz korrekt, den Abstand zu der Achse als die Länge zu betrachten. Jedoch kann der Abstand zur Achse vor der Zehe angenähert als die Länge verwendet werden, außer für extreme Fußkonfigurationen.
Fußkonfigurationen, bei denen die obige Längenannäherung nicht anwendbar ist, können in einem weiten Bereich liegen, und daher kann kein spezifisches Verfahren für alle diese Fußkonfigurationen angegeben werden. Jedoch kann der Hubbetrag der Ferse in ähnlicher Weise auf der Basis von Konvergenzberechnungen oder dgl. berechnet werden.
In der obigen Beschreibung wird der Schwerpunkt des Roboters durch den Schwerpunkt seines Körpers angenähert. Jedoch kann auch der Schwerpunkt des gesamten Roboters bestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines Gangs eines zweibeinigen Schreitroboters, der zumindest einen Körper, zwei Gelenkbeine (2), die jeweils mit dem Körper durch ein Hüftgelenk (10, 12, 14L; 10, 12, 14R) verbunden sind und jeweils einen Oberschenkel (28L; 28R), einen Unterschenkel (30L; 30R), der mit dem Oberschenkel (28L; 28R) durch ein Kniegelenk (16L; 16R) verbunden ist, sowie einen Fuß (22L; 22R), der mit dem Unterschenkel (30L; 30R) durch ein Knöchelgelenk (18, 20L; 18, 20R) verbunden ist, aufweisen, wobei der Roboter konfiguriert ist, um die Gelenkbeine (2) als ein vorderes Bein und ein hinteres Bein derart anzutreiben, daß sich das hintere Bein vom Boden abstößt, um in eine Richtung zu gehen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Bestimmen eines ersten Parameters, der sich auf die Effizienz des Energieverbrauchs oder/und die Haltungsstabilisierung des Roboters bezieht;

(b) Bestimmen eines zweiten Parameters, der sich auf das Gehen des Roboters bezieht; und

(c) Erzeugen eines Gangs auf der Basis zumindest der bestimmten ersten und zweiten Parameter;

dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (a) umfaßt:

(d) Schätzen einer Position des Roboterkörpers dann, wenn sich das hintere Bein vom Boden abgestoßen hat;

(e) Bestimmen des Winkels, durch den die Ferse des Fußes des hinteren Beins derart zu bewegen ist, daß der Roboterkörper zumindest die geschätzte Position erreichen wird; und Schritt (c) umfaßt:

(f) Erzeugen des Gangs auf der Basis zumindest des Winkels.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (d) umfaßt:

(g) Schätzen, daß der Roboterkörper in eine zweite Position verlagert wird, die um einen vorbestimmten Betrag in der Richtung von einer Zwischenposition zwischen dem vorderen Bein und dem hinteren Bein vorverlagert ist;

wobei Schritt (e) umfaßt:

(h) Bestimmen eines zweiten Winkels, durch den die Ferse des Fußes des hinteren Beins derart zu bewegen ist, daß der Roboterkörper zumindest die geschätzte zweite Position erreichen wird; und Schritt (f) umfaßt:

(i) Erzeugen des Gangs auf der Basis zumindest des zweiten Winkels.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Schritt (h) umfaßt:

(j) Bestimmen des zweiten Winkels als eine Untergrenze;

(k) Bestimmen eines dritten Winkels in einem Zustand, in dem das Hüftgelenk (10, 12, 14L; 10, 12, 14R), das Knöchelgelenk (18, 20L; 18, 20R) und ein Zeh des hinteren Beins im wesentlichen miteinander fluchten;

(l) Bestimmen des zweiten Winkels als eine Obergrenze; und

(m) Bestimmen des Winkels, durch den die Ferse des Fußes des hinteren Beins derart zu bewegen ist, daß sie sich in einem Bereich befindet, der durch die Untergrenze und die Obergrenze definiert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Schritt (m) umfaßt:

(n) Berechnen eines Mittelwerts der Untergrenze und der Obergrenze; und

(o) Bestimmen des Mittelwerts als der Winkel, durch den die Ferse des Fußes des hinteren Beins zu bewegen ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner den Schritt umfaßt:

(p) Bestimmen eines Stellglieds auf der Basis des erzeugten Gangs.

6. System zum Steuern der Fortbewegung eines zweibeinigen Schreitroboters (1), der zumindest einen Körper, zwei Gelenkbeine (2), die jeweils mit dem Körper durch Hüftgelenke (10, 12, 14) verbunden sind und jeweils einen Fuß (22) aufweisen, der mit ihrem Ende durch ein Knöchelgelenk (18, 20) derart verbunden ist, daß der Fuß (22) in einer eine Schwerkraftachse enthaltenden Ebene gedreht wird, wobei der Roboter eine aufeinanderfolgende Gehperiode aufweist, die aus einer Einzelstützphase, während der der Roboterkörper durch eines der Gelenkbeine (2) gestützt wird, und einer Doppelstützphase, während der der Roboterkörper durch die zwei Gelenkbeine (2) gestützt wird, gebildet ist, so daß er durch Abwechseln der zwei Stützphasen schrittweise geht, umfassend:

Mittel zum Bestimmen des Winkels, durch den die Ferse des Fußes des hinteren Beins zu bewegen ist;

ein Gelenkwinkelbestimmungsmittel zum Bestimmen von Winkeln der Gelenke zumindest auf der Basis des Winkels; und

Gelenkantriebsmittel zum Antrieb der Gelenke derart, daß von der Doppelstützphase in die Einzelstützphase gewechselt wird.

7. System nach Anspruch 6, wobei das Mittel zum Bestimmen des Winkels, durch den die Ferse des Fußes des hinteren Beins zu bewegen ist, den Winkel auf der Basis eines Anteils der Doppelstützphase in der Gehperiode und der Schrittweite bestimmt.

8. System nach Anspruch 6, wobei das Mittel zum Bestimmen des Winkels, durch den die Ferse des Fußes des hinteren Beins zu bewegen ist, den Winkel auf der Basis von Beträgen von Drehungen bestimmt, die durch eine Haltung des Roboters bestimmt sind.