[发明专利]机器人的步行控制装置和步行控制方法

说明书

本发明涉及一种机器人使用的步行控制装置和步行控制方法，该机器人具有适于像活体一样动作的结构，可提高逼真程度。更具体地说，本发明涉及一种双足步行机器人使用的步行控制装置和步行控制方法，该机器人具有仿真人体机构和直立双足动物如人或类人猿活动的结构。

更准确地说，本发明涉及一种双足步行机器人使用的步行控制装置和步行控制方法，该机器人适于直立双足步行，并使包括躯干、头和臂的身体上半部安装在下肢上。更具体地说，本发明涉及一种机器人使用的步行控制装置和步行控制方法，该机器人能以令人吃惊的真实性仿真包括人的姿势的活动，并依靠其双腿步行而不会失去平衡。

机器人是指利用电和／或磁效应，像人一样行动的机械装置。词语“机器人”被认为起源于斯拉夫语“ROBOTA(辅助机器)”。20世纪六十年代后期，机器人在日本非常普及，但是许多机器人是为工厂自动化和节省人力的目的而设计的工业机器人，包括操纵和搬运机器人。

由于近些年，人们在具有仿真人体机构和直立双足动物如人或类人猿活动结构的双足步行机器人的领域进行了大量研究，并取得了大量的开发成果，人们比以往更希望发现机器人的实际应用。适于直立双足步行(bipedalism)的双足步行机器人具有这样的优点：它能够轻轻地行走，跨越障碍物和上下楼梯而不会有任何困难。

然而，这里应该注意双足步行机器人的研究和开发的历史是从研究下肢活动的不同方面开始的，而不针对整个直立的双足动物。

例如，日本公开的专利申请No．3-184782公开了一种适用于与双足步行机器人的躯干以下(from-the-torso-down)相对应的结构的关节。

日本公开的专利申请No．5-305579公开了一种双足步行机器人的步行控制装置。根据上述专利文献的一种步行控制装置适于以这样的方式控制双足步行机器人，即该机器人在地面上行走时，机器人的ZMP(零转矩点)与目标位置一致。零转矩点是由于地面反作用力的作用机器人的转矩为零的地面上的那个点。然而，从上述专利文献的图1可知：产生转矩的躯干24是一种黑色的盒子，该文献仅仅提出双足步行机器人的下肢，而不是一种仿真人的整个机器人。

然而，对于许多研究人员来说，明显双足步行机器人研究和开发的最终目的是实现一种看起来像人，并像人一样行动的结构。更准确地说，双足步行机器人是一种适于直立、双足行走和具有便于依靠其双脚行走的下肢的结构，该结构还具有包括躯干、头和臂(下文简称之为上肢)的上半身以及连接上肢和下肢的躯干部。完美的机器人应该能够接收控制，以便依靠其双脚垂直站立、行走和工作，同时能够根据预定的方案协调地移动上肢，下肢和躯干部。

根据活动和人体结构仿真人的一种双足步行机器人称之为具有人的特点的机器人。这种具有人的特点的机器人能够在不同生活方面帮助我们的日常生活。

双足步行机器人大致可分为工业用机器人和娱乐用机器人。

工业用机器人绝大多数设计成能够在各种不同工业场所代替人，并在制造业、建筑业、发电厂等领域为人类做困难的工作。例如，这类机器人在原子能电厂、热电厂、石化工厂和其它厂代替人作维护工作，在制造工厂和摩天大楼内做各种危险而又困难的工作。因此，将这类机器人设计和制造得便于为特定的应用或功能用特定的方式操作，不过它们靠双脚行走。换句话说，它们不需要具有仿真人体机构和直立双足动物如人或类人猿t活动的结构。例如，它们为了完成特定应用的工作而通过精巧方式的移动可以显示身体特定部分的较高自由度时，与该应用没有直接关系的身体的其它部分如头和腰的自由度可以较低。因此，不可避免，这样的机器人移动起来不方便，显出不特别的协调。

另一方面，娱乐用的机器人比较接近于我们的日常生活，并可以为我们的生活提供帮助，而不适于完成困难工作。换句话说，这类机器人设计成能够仿真直立双足的人和类人猿的身体机构，并能够平稳地移动。由于它们是一种对直立哺乳动物如具有高智商的人和类人猿的仿真，因此它们最好具有丰富的表达。从这种意义上说，它们正是具有人的特点的机器人。

简而言之，尽管娱乐用机器人与工业用机器人共享必要的技术，但它们为实现最终目的的硬件机构，控制活动的方法和软件构成方面相互之间完全不一样。