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Dokumentenidentifikation DE69734835T2 20.07.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000965416
Titel HALTUNGSKONTROLLEUR EINEN SICH AUF BEINEN BEWEGENDEN ROBOTERN
Anmelder Honda Giken Kogyo K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder TAKENAKA, Toru, Wako-shi, Saitama 351-01, JP;
HASEGAWA, Tadaaki, Wako-shi, Saitama 351-01, JP;
MATSUMOTO,Takashi, Wako-shi, Saitama 351-01, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69734835
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.12.1997
EP-Aktenzeichen 979491800
WO-Anmeldetag 19.12.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/JP97/04723
WO-Veröffentlichungsnummer 1998026905
WO-Veröffentlichungsdatum 25.06.1998
EP-Offenlegungsdatum 22.12.1999
EP date of grant 07.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.07.2006
IPC-Hauptklasse B62D 57/032(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET, AUF WELCHES SICH DIE ERFINDUNG BEZIEHT

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Haltungs-Steuer-/Regelsystem eines mobilen Roboters auf Beinen und speziell auf ein System zum Gewährleisten, dass ein mobiler Roboter auf Beinen, insbesondere ein zweibeinig laufender Roboter, die dynamische Balance behält, um eine stabile Haltung beizubehalten, selbst wenn der Roboter einer unerwarteten Objektreaktionskraft ausgesetzt wird. Speziell ist die vorliegende Erfindung höchst wirkungsvoll in einem mobilen Roboter auf Beinen anwendbar, welcher Arme aufweist und welcher die Arme und Beine des Roboters koordiniert steuert/regelt.

Es sollte angemerkt werden, dass in dieser Beschreibung der Ausdruck „Objektreaktionskraft" zur Bezeichnung der externen Kraft verwendet wird, die auf den Roboter in einer Arbeitsumgebung wirkt, welche ein Objekt einschließt, mit dem der Roboter arbeitet, wobei jedoch die auf den Roboter vom kontaktierenden Boden her wirkende Bodenreaktionskraft ausgenommen ist.

HINTERGRUNDFACHGEBIET DER ERFINDUNG

Ein mobiler Roboter auf Beinen, insbesondere ein zweibeinig laufender Roboter mit Armen, ist beispielsweise aus „Development of a Biped Walking Robot Compensating for Three-Axis Moment by Trunk Motion" in Band 11, Nr. 4, Mai 1993; „Journal of the Robotics Society of Japan", bekannt. Der Roboter ist mit Balancegewichten in Form vereinfachter Arme ausgestattet. Unter Verwendung von Variablen, die eine angenommene Schwerkraft und Trägheitskraft, welche durch Schwenken der Balancegewichte erzeugt wird, enthalten, wird im Vorfeld eine Sollgangart erstellt und das Laufen des Roboters wird derart gesteuert/geregelt, dass der Sollgangart gefolgt wird.

Yamaguchi J. et al „Development of a Biped Walking Robot ...", Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, US New York, IEEE, Band 26 (1993-07-26) Seiten 561–566 (XP000437916) beschreibt die Verwendung des Nullmomentpunkts zur Unterscheidung der Stabilität des Laufens für einen zweibeinigen laufenden Roboter. Anspruch 1 ist gegenüber dieser Offenbarung gekennzeichnet.

Im Stand der Technik basiert die Steuerung/Regelung jedoch auf der Annahme, dass die Arme keiner Objektreaktionskraft ausgesetzt sind. wenn daher die in diesem Stand der Technik offenbarte Steuerung/Regelung nicht nur auf ein Laufen, sondern auch auf ein Arbeiten angewendet wird, so würde der Roboter wahrscheinlich die dynamische Balance verlieren, wenn er einer unerwarteten Objektreaktionskraft von einem Objekt ausgesetzt wird, was zu einer Destabilisierung der Haltung und, im schlimmsten Fall, zu einem Umkippen führt.

Die Anmelderin offenbart einen ähnlichen mobilen Roboter auf Beinen in der offen gelegten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 7(1995)-205069 und schlägt mit Kraft verschwenkende Roboterarme vor, um die Haltungsstabilität wieder herzustellen, wenn die Reibungskraft auf dem Kontaktboden während des Laufens abfällt.

In der darin durch die Anmelderin vorgeschlagenen Steuerung/Regelung des mobilen Roboters auf Beinen werden die Beine und Arme jedoch nicht koordiniert gesteuert/geregelt, sondern werden separat oder unabhängig gesteuert/geregelt. Im Ergebnis verliert der Roboter manchmal die dynamische Balance aufgrund der resultierenden Kraft, die sich zusammensetzt aus der durch die Armverschwenkung erzeugten Schwerkraft und Trägheitskraft sowie der Reaktionskraft von einem Objekt, wodurch er im Gegensatz zu dem, was erwartet wird, in eine instabile Haltung gelangt.

Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu lösen und ein Haltungs-Steuer-/Regelsystem für einen mobilen Roboter auf Beinen bereitzustellen, welches die Beibehaltung der dynamischen Balance oder des Gleichgewichts gewährleisten kann, um selbst dann eine stabile Haltung beizubehalten, wenn der mobile Roboter auf Beinen einer unerwarteten Objektreaktionskraft ausgesetzt wird.

Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Haltungs-Steuer-/Regelsystem für einen mobilen Roboter auf Beinen bereitzustellen, welches wirkungsvoll verhindern kann, dass der Roboter sich neigt oder umkippt, und zwar selbst dann, wenn die Objektreaktionskraft sich plötzlich ändert, indem die Position des Schwerpunkts des Roboters zu einer Position hin verlagert wird, bei welcher die Kraft statisch ausgeglichen ist.

Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Haltungs-Steuer-/Regelsystem für einen mobilen Roboter auf Beinen bereitzustellen, welches eine dynamische Balance oder ein Gleichgewicht durch geeignetes Verändern der Position des Schwerpunkts des Roboters und der Bodenreaktionskraft selbst während eines Übergangs aufrecht erhält, während welchem sich die Verlagerung der Position des Schwerpunkts des Roboters in Reaktion auf die plötzliche Änderung der Objektreaktionskraft im Verlauf befindet.

Eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Haltungs-Steuer-/Regelsystem für einen mit Armen versehenen beweglichen Roboter auf Beinen bereitzustellen, welches eine dynamische Balance oder Gleichgewicht zur Beibehaltung einer stabilen Haltung selbst dann aufrecht erhalten kann, wenn in einem Fall, dass der Roboterarm in einem vorher nicht vermuteten Bewegungsmuster bewegt wird, der Roboterarm einer unerwarteten Schwerkraft und Trägheitskraft oder einer unerwarteten Objektreaktionskraft ausgesetzt ist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Um die oben erwähnten Aufgaben zu lösen, ist die vorliegende Erfindung derart konfiguriert, dass sie ein System zum Steuern/Regeln der Haltung eines mobilen Roboters auf Beinen aufweist, welcher wenigstens einen Rumpf und eine Mehrzahl von jeweils mit dem Rumpf verbundenen Gliedern aufweist, umfassend: ein Sollgangart-Vorbestimmungsmittel zum Vorbestimmen einer Sollgangart des Roboters, einschließlich wenigstens eines Bewegungsmusters, welches wenigstens eine Solltrajektorie des Rumpfs des Roboters, eine Solltrajektorie der auf den Roboter wirkenden Bodenreaktionskraft sowie eine Solltrajektorie einer auf den Roboter wirkenden äußeren Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist, enthält; ein Außenkraft-Erfassungsmittel zum Erfassen der äußeren Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist; ein Außenkraftdifferenz-Bestimmungsmittel zum Bestimmen einer Außenkraftdifferenz zwischen der erfassten äußeren Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist, und der äußeren Kraft der Solltrajektorie; ein Modell, welches eine Beziehung zwischen einer Störung der Bodenreaktionskraft und einer Störung einer Position des Schwerpunkts und/oder einer Position des Rumpfs des Roboters ausdrückt; ein Modelleingabebetrag-Bestimmungsmittel zum Bestimmen eines dem Modell einzugebenden Modelleingabebetrags auf Grundlage wenigstens der bestimmten Außenkraftdifferenz; ein Sollrumpftrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel, um die Eingabe des Modelleingabebetrags in das Modell zu bewirken und um auf Grundlage eines Störbetrags der Position des Schwerpunkts und/oder der Position des Rumpfs, welche daraus erhalten wird, einen Sollrumpftrajektorien-Korrekturbetrag zu bestimmen, welcher die Solltrajektorie des Rumpfs korrigiert; ein Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel zum Bestimmen eines Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrags, welcher die Solltrajektorie der Bodenreaktionskraft korrigiert, und zwar auf Grundlage wenigstens des bestimmten Modelleingabebetrags, sowie ein Gelenkverstellmittel zum Verstellen von Gelenken des Roboters auf Grundlage wenigstens des bestimmten Sollrumpftrajektorien-Korrekturbetrags und des Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrags.

Es sollte angemerkt werden, dass hier die „Position" dafür verwendet wird, mit Ausnahme der Position des Schwerpunkts die „Position und/oder Haltung" zu bezeichnen. Die „Haltung" bezeichnet die Orientierung oder die Richtung im dreidimensionalen Raum, wie später angegeben wird.

Es sollte angemerkt werden, dass hier die „Solltrajektorie der Bodenreaktionskraft" dafür verwendet wird, um speziell eine Solltrajektorie eines Mittelpunkts der Bodenreaktionskraft zu bezeichnen. Es sollte angemerkt werden, dass „korrigiert die Solltrajektorie der Bodenreaktionskraft" dafür verwendet wird, speziell eine Korrektur des Moments um den Mittelpunkt der Bodenreaktionskraft herum zu bezeichnen.

Es sollte ferner angemerkt werden, dass „Erfassen der äußeren Kraft" so verwendet wird, dass es nicht nur ein Erfassen, sondern auch ein Einschätzen unter Verwendung einer Störungsbeobachtungseinrichtung bedeutet.

In dem System ist konfiguriert, dass das Modelleingabebetrag-Bestimmungsmittel enthält: ein Gleichgewichtsschwerpunktposition-Störbetrag-Bestimmungsmittel zum Bestimmen eines Störbetrags einer Gleichgewichtsposition des Schwerpunkts, bei welcher die äußere Kraft statisch ausgeglichen ist, und dass das Modelleingabebetrag-Bestimmungsmittel den Modelleingabebetrag derart bestimmt, dass das Modell zu dem Störbetrag der Gleichgewichtsposition des Schwerpunkts hin konvergiert.

In dem System ist konfiguriert, dass das Modell ein solches Modell ist, welches den Roboter durch ein umgekehrtes Pendel annähert.

In dem System ist konfiguriert, dass das Gleichgewichtsschwerpunktposition-Störbetrag-Bestimmungsmittel enthält: einen Begrenzer, welcher den bestimmten Störbetrag der Gleichgewichtsposition des Schwerpunkts innerhalb eines vorbestimmten Bereichs begrenzt.

In dem System ist konfiguriert, dass das Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel enthält: einen Begrenzer, welcher den bestimmten Bodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag innerhalb eines vorbestimmten Bereichs begrenzt.

In dem System ist konfiguriert, dass die Solltrajektorie der Bodenreaktionskraft wenigstens eine Solltrajektorie eines Mittelpunkts der auf den Roboter wirkenden Bodenreaktionskraft enthält.

In dem System ist konfiguriert, dass das Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel den Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag derart bestimmt, dass der Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag gleich einer Differenz ist, welche durch Subtrahieren der Außenkraftdifferenz von dem Modelleingabebetrag erhalten wird.

In dem System ist konfiguriert, dass die externe Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist, eine Reaktionskraft ist, welche von einem Objekt durch die Glieder auf den Roboter wirkt.

In dem System ist konfiguriert, dass der Roboter ein mobiler Roboter auf Beinen ist, welcher zwei Beinglieder und zwei Armglieder aufweist, die jeweils mit dem Rumpf verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung ist ferner so konfiguriert, dass sie ein System zum Steuern/Regeln der Haltung eines mobilen Roboters auf Beinen aufweist, welcher wenigstens einen Rumpf und eine Mehrzahl von mit dem Rumpf verbundenen Gliedern aufweist, umfassend: ein Sollgangart-Vorbestimmungsmittel zum Vorbestimmen eines Bewegungsmusters, einschließlich wenigstens einer Sollposition des Rumpfs des Roboters, ein Objektreaktionskraft-Erfassungsmittel zum Erfassen einer Objektreaktionskraft, welche von einem Objekt durch die Glieder auf den Roboter wirkt; ein Objektreaktionskraftmoment-Umwandlungsmittel zum Umwandeln der erfassten Objektreaktionskraft in ein Moment um einen vorbestimmten Punkt; ein Roboterpositions-/-haltungs-Korrekturmittel zum Korrigieren eines Moments der Bodenreaktionskraft um den vorbestimmten Punkt einer Bodenreaktionskraft und einer Position und einer Haltung des Roboters, um das umgewandelte Moment dynamisch auszugleichen, und ein Gelenkverstellmittel zum Verstellen von Gelenken des Roboters auf Grundlage des korrigierten Moments der Bodenreaktionskraft um den vorbestimmten Punkt der Bodenreaktionskraft und der korrigierten Position und Haltung des Roboters.

Vorzugsweise wird durch das Sollgangart-Vorbestimmungsmittel eine Sollgangart des Roboters vorbestimmt, einschließlich wenigstens eines Bewegungsmusters, welches wenigstens eine Sollposition des Rumpfs des Roboters und eine Trajektorie eines Sollmittelpunkts einer auf den Roboter wirkenden Bodenreaktionskraft enthält; das Objektreaktionskraftmoment-Umwandlungsmittel wandelt die erfasste Objektreaktionskraft in das Moment um den Sollmittelpunkt der Bodenreaktionskraft um; das Roboterpositions-/-haltungs-Korrekturmittel korrigiert das Moment der Bodenreaktionskraft um den Sollmittelpunkt der Bodenreaktionskraft und/oder die Position und Haltung des Roboters, um das umgewandelte Moment der Objektreaktionskraft dynamisch auszugleichen, und das Gelenkverstellmittel verstellt die Gelenke des Roboters auf Grundlage des korrigierten Moments der Bodenreaktionskraft um den Sollmittelpunkt der Bodenreaktionskraft und der korrigierten Position und/oder Haltung des Roboters.

Es sollte angemerkt werden, dass im oben Gesagten der „mobile Roboter auf Beinen" einen mobilen Roboter auf Beinen umfasst, weicher der Objektreaktionskraft über andere Abschnitte als die Arme ausgesetzt ist. Bezüglich der Armglieder sollte angemerkt werden, dass die Armglieder jegliche an einem Objekt wirkenden Glieder einschließen würden (einschließlich sogar der Beinglieder). Ist der Roboter beispielsweise ein Roboter vom Insektentyp mit sechs Beinen, welche ein Objekt unter Verwendung der beiden Vorderbeine anhebt, so sollten die beiden Vorderbeine als die Armglieder angesehen werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Ansicht, welche eine Gesamtkonfiguration eines Haltungs-Steuer-/Regelsystems eines mobilen Roboters auf Beinen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ist ein Blockdiagramm, welches Details einer Steuer-/Regeleinheit des in 1 illustrierten Roboters zeigt;

3 ist ein Blockdiagramm, welches die Konfiguration und den Betrieb des Haltungssystems eines mobilen Roboters auf Beinen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

4 ist eine erläuternde Ansicht, welche einen durch den in 1 illustrierten Roboter unter Verwendung von Armen ausgeführten Arbeitsbetrieb zeigt;

5 ist eine erläuternde Ansicht, welche das Koordinatensystem zeigt, welches bezüglich des Stützbeins in einer Gangart gesetzt ist, die durch den in 3 illustrierten Sollarbeitsmustergenerator erzeugt wird;

6 ist eine erläuternde Ansicht, welche des Weiteren das Koordinatensystem zeigt, welches in Bezug auf das Stützbein in der Gangart gesetzt ist, die durch den in 3 illustrierten Sollarbeitsmustergenerator erzeugt wird;

7 ist ein Satz von Zeitdiagrammen, welche den Betrieb einer in 3 gezeigten Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung erläutern;

8 ist ein Blockdiagramm, welches im Detail eine erste Hälfte der Konfiguration der in 3 illustrierten Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung zeigt;

9 ist ein Blockdiagramm, welches im Detail die letzte Hälfte der Konfiguration der in 3 illustrierten Objektreationskraft-Steuer-/Regeleinrichtung zeigt;

10 ist eine erläuternde Ansicht, welche ein dynamisches Störmodell der in 9 illustrierten Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung zeigt;

11 ist eine erläuternde Ansicht, welche das in 10 illustrierte und durch ein umgekehrtes Pendel angenäherte Modell erläutert;

12 ist ein Blockdiagramm ähnlich 9, zeigt jedoch die Konfiguration der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

13 ist ein Blockdiagramm ähnlich 9, zeigt jedoch die Konfiguration der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

14 ist eine Ansicht ähnlich 11, zeigt jedoch ein dynamisches Störungsmodell vom Umgekehrt-Pendel-Typ, welches in dem System gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Haltungs-Steuer-/Regelsystem eines mobilen Roboters auf Beinen gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Ein zweifüßiger Roboter wird als Beispiel des mobilen Roboters auf Beinen herangezogen.

1 ist eine schematische Ansicht, welche eine Gesamtkonfiguration des Systems, einschließlich eines zweifüßigen Roboters 1, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Wie in der Figur illustriert ist, weist der Roboter 1 ein Paar rechter und linker Beinglieder 2 auf, welche jeweils aus sechs Gelenken zusammengesetzt sind. In einer einfachen Ausführung ist jedes der Gelenke durch einen Elektromotor repräsentiert, welcher das Gelenk betätigt. Abwärts aufeinander folgend umfassen die sechs Gelenke ein Paar Hüftgelenke 10R, 10L (das rechte Gelenk ist durch R bezeichnet und das linke Gelenk ist durch L bezeichnet) zum Drehen der Beine bezüglich der Hüften, ein Paar Hüftgelenke 12R, 12L in der Nickachse (um die Y-Achse), ein Paar Hüftgelenke 14R, 14L in der Wälzachse (um eine X-Achse), ein Paar Kniegelenke 16R, 16L in der Nickachse, ein Paar Knöchelgelenke 18R, 18L in der Nickachse sowie ein Paar Gelenke 20R, 20L in der Wälzachse. An seiner Unterseite ist der Roboter mit Füßen 22R, 22L versehen.

Die Gelenke 10R(L), 12R(L), 14R(L) bilden die Hüftgelenke und die Gelenke 18R(L), 20R(L) bilden die Knöchelgelenke. Die Hüftgelenke und die Kniegelenke sind miteinander durch Oberschenkelglieder 24R, 24L verbunden und die Kniegelenke und die Knöchelgelenke sind miteinander durch Schenkel- oder Unterschenkelglieder 26R, 26L verbunden.

Der Roboter weist einen Rumpf oder einen Körper (dargestellt in einem Glied) 28 oberhalb der Hüfte auf und weist ein Paar rechter und linker Armglieder 3 auf, welche jeweils aus sieben Gelenken gebildet sind (auf ähnliche Weise ist jedes Gelenk durch einen Elektromotor repräsentiert, welcher das Gelenk betätigt). Abwärts aufeinander folgend angeordnet umfassen die sieben Gelenke ein Paar Schultergelenke 30R, 30L in der Nickachse, ein Paar Schultergelenke 32R, 32L in der Wälzachse, ein Paar Schultergelenke zum Drehen der Arme in Bezug auf die Schultern, ein Paar Ellenbogengelenke 36R, 36L in der Nickachse, ein Paar Handgelenke 38R, 38L zum Drehen der Hände bezüglich der Arme, ein Paar Handgelenke 40R, 40L in der Nickachse, sowie ein Paar Handgelenke 42R, 42L in der Wälzachse. Hände (Handstellglieder) 44R, 44L sind mit den Handgelenken verbunden.

Die Gelenke 30R(L), 32R(L), 34R(L) bilden Schultergelenke und die Gelenke 38R(L), 40R(L), 42R(L) bilden Handgelenke. Die Schultergelenke und die Ellenbogengelenke sind miteinander durch obere Armglieder 46R, 46L verbunden und die Ellenbogengelenke und die Handgelenke sind miteinander durch untere Armglieder 48R, 48L verbunden.

In dem Rumpf (Körper) 28 ist eine Mikrocomputer umfassende Steuer-/Regeleinheit 50 untergebracht, welche später unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird.

In der oben genannten Struktur sind jedem Beinglied 2 sechs Freiheitsgrade verliehen. Wenn die 6·2 = 12 Gelenke während des Laufens in geeignete Winkel gesteuert werden, so wird auf die gesamte Beinstruktur eine Sollbewegung ausgeübt, um zu bewirken, dass der Roboter willkürlich in einer dreidimensionalen (absoluten) Umgebung läuft. (in der Beschreibung repräsentiert "*" eine Multiplikation.) Es sollte angemerkt werden, dass, wie oben erwähnt, die Vor-Zurück-Richtung in Bezug auf den Roboter (die Wälzachse) als X-Achse dargestellt wird, die Rechts-Links-Richtungen (Nickachse) in der Y-Achse dargestellt sind und die Vertikale (Richtung der Schwerkraft) als Z-Achse dargestellt ist.

Jedem der Armglieder 3 sind sieben Freiheitsgrade verliehen. Wenn die 7·2 = 14 Gelenke in geeignete Winkel gesteuert werden, so wird eine Sollbewegung ausgeübt, um zu bewirken, dass der Roboter eine Sollarbeitsaufgabe, wie das Schieben eines Wagens, ausführt, wie später erläutert wird.

Wie in 1 gezeigt ist, ist ein bekannter Kraftsensor (genauer bekannt als der Sechs-Achsen-Kraft-Dremomentsensor) 56 an jedem Fuß 22R(L) unterhalb des Knöchelgelenks angeordnet, um die drei Richtungskomponenten Fx, Fy, Fz der Kraft und die drei Richtungskomponenten Mx, My, Mz des Drehmoments oder des Moments daraus von der externen Kraft, welche durch die Fußanordnung auf den Roboter wirkt, wenn diese den Boden berührt, zu messen.

In ähnlicher Weise ist ein Kraftsensor 58 an einer Stelle zwischen jedem Handgelenk und der Hand 44R(L) angeordnet, um die drei Richtungskomponenten Fx, Fy, Fz der Kraft und die drei Richtungskomponenten Mx, My, Mz des Drehmoments oder eines Moments daraus von der anderen äußeren Kraft, insbesondere der erwähnten, von einem Objekt wirkenden Objektreaktionskraft, zu messen.

Ferner weist der Rumpf 28 einen Neigungssensor 60 auf, zum Erfassen eines Kippens oder eine Neigung der vorderen Ebene in Bezug auf eine Z-Achse (die vertikale Richtung oder die Richtung der Schwerkraft) sowie deren Winkelgeschwindigkeit (Rate) sowie ferner einer Neigung in der Sagitalebene in Bezug auf die Z-Achse und deren Winkelgeschwindigkeit. Die Elektromotoren der jeweiligen Gelenke verstellen die Glieder 24R(L), 26R(L), usw. über jeweilige Untersetzungsgetriebe (nicht gezeigt), welche die Drehzahl der Motorausgabe zur Vergrößerung des Drehmoments reduzieren. Die Elektromotoren sind mit jeweiligen Drehwertgebern zum Erfassen von Winkelverschiebungen der Elektromotoren gekoppelt. Somit sind die Beinglieder und die Armglieder als Beinbetätiger oder als Armbetätiger ausgebildet, welche jeweils einen solchen Verschiebungsdetektor aufweisen. Die Ausgaben des Kraftsensors 56, usw., werden an die Steuer-/Regeleinheit 50 gesendet. (Zur Vereinfachung sind nur die Sensorausgaben auf der rechten Seite in der Figur illustriert.)

2 ist eine Blockdarstellung, welche die Details der Steuer-/Regeleinheit 50 zeigt, die aus Mikrocomputern zusammengesetzt ist. Ausgaben von dem Neigungssensor 60, usw., werden durch einen A/D-Wandler 70 in digitale Signale ungewandelt, welche durch einen Bus 72 an einen RAM 74 übergeben werden. Ausgangssignale von den Drehwertgebern, die in der Nähe de jeweiligen Elektromotoren angeordnet sind, werden durch einen Zähler 76 an den RAM 74 übertragen.

Die Steuer-/Regeleinheit 50 enthält eine Berechnungseinrichtung 80, welche CPUs umfasst. Die Berechnungseinrichtung 80 berechnet Sollgelenkwinkel-Verstellanweisungen (Verstellanweisungen für die Betätiger) auf Grundlage einer zuvor vorbereiteten Gangart, so dass der Roboter eine stabile Haltung beibehalten kann, und gibt diese an den RAM 74 aus.

Ferner liest die Berechnungseinrichtung 80 die Sollanweisungswerte und die erfassten Gelenkwinkel aus dem RAM 74 aus und berechnet Werte (abgeänderte Variablen) und gibt diese durch einen D/A-Wandler 86 und Servoverstärker an die Elektromotoren der jeweiligen Bein- und Armbetätiger aus, welche die jeweiligen Gelenke ansteuern.

3 ist ein Blockdiagramm, welches die Konfiguration und den Betrieb des Haltungs-Steuer-/Regelsystems eines mobilen Roboters auf Beinen zeigt, und zwar genauer der erwähnten Berechnungseinrichtung 80 gemäß der vorliegenden Erfindung in funktioneller Weise.

Das System steuert/regelt die Bewegungen der Beine und Arme in einer koordinierten Weise und gibt Verschiebungsanweisungen an die jeweiligen Betätiger-Ansteuerungseinrichtungen 88. Wie illustriert, enthält das System einen Sollarbeitsmustergenerator, eine Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung, eine Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung und eine Hauptarm-Steuer-/Regeleinrichtung.

Zum einfacheren Verständnis wird nachfolgend die Bearbeitung oder der Betrieb dieser Bauteile erläutert, wobei die in 4 illustrierte Arbeit angenommen wird. In dem in 4 illustrierten Beispiel wird angenommen, dass dann, wenn der Roboter 1 gerade einen Wagen 100 schiebt, der Betrag der von dem Wagen auf den Roboter 1 wirkenden Objektreaktionskraft plötzlich unter eine vorhergesagte Objektreaktionskraft in einem Sollarbeitsmuster abfällt, so dass der Roboter 1 aufgrund der Differenz die Balance verliert und dabei ist, nach vorn zu fallen. Das System gemäß dieser Ausführungsform ist dafür ausgebildet, den Roboter derart zu steuern/zu regeln, dass er selbst in einem solchen Zustand die dynamische Balance oder das Gleichgewicht beibehält.

Der Sollarbeitsmustergenerator erzeugt das Sollarbeitsmuster, welches die dynamische Gleichgewichtsbedingung bei einem vorhergesagten Zustand erfüllt. Das Sollarbeitsmuster wird durch zeitveränderliche Muster in einer Mehrzahl von Variablen beschrieben. Die Variablen umfassen diejenigen, die Bewegungen und die von der Arbeitsumgebung her wirkenden Reaktionskräfte beschreiben.

Die Variablen, welche Bewegungen beschreiben, sind eine Kombination aus Variablen, welche allein eine Roboterhaltung in jedem Fall bestimmen. Speziell umfassen sie die Sollfußposition/-haltung (Position und/oder Haltung), die Sollrumpfposition/-haltung (Position und/oder Haltung) sowie Sollhandposition/-haltung (Position und Haltung).

Die Variablen, welche die von der Arbeitsumgebung her wirkende Reaktionskraft beschreiben, umfassen den Sollgesamtbodenreaktionskraft- Mittelpunkt (die Position des Mittelpunkts einer Sollgesamtbodenreaktionskraft, d.h. den Soll-ZMP, genauer gesagt die Soll-ZMP-Position), die Sollgesamtbodenreaktionskraft und die Sollobjektreaktionskraft.

Diese Variablen sind im Koordinatensystem des Stützbeins ausgedrückt. Das Koordinatensystem des Stützbeins ist ein Koordinatensystem, dessen Ursprung in einen Punkt auf der Sohle des Fußes 22R(L) des Stützbeins gelegt ist, entsprechend demjenigen, der vom Knöchel (der Kreuzung der Gelenke 18, 20R(L)) aus vertikal nach unten projiziert ist. Genauer gesagt ist das Koordinatensystem, wie in 5 und 6 illustriert ist, an dem Boden fixiert, mit welchem die Fußsohle des Stützbeins in Kontakt ist. In dem Koordinatensystem ist die Vorwärtsrichtung des Stützbeinfußes als die Richtung der X-Achse definiert, die Linksrichtung ist als die Richtung der Y-Achse definiert und die vertikal nach oben gerichtete Richtung ist die Richtung der Z-Achse.

Die Variablen werden im Detail nachfolgend beschrieben.

Wie zuvor erwähnt wurde, wird von den auf den Roboter in der Umgebung wirkenden externen Kräften die externe Kraft, die nicht zu den jeweiligen Fußbodenreaktionskräften (die auf den Roboter über den jeweiligen Fuß wirken) gehören, die Objektreaktionskraft genannt. Die Sollobjektreaktionskraft ist ein Sollwert derselben. In dem in 4 illustrierten Beispiel ist die Objektreaktionskraft die Reaktionskraft, welche von dem Objekt 100 über die jeweiligen Hände 44R(L) auf den Roboter wirkt.

Der Sollarbeitsmustergenerator erzeugt die Sollobjektreaktionskraft, welche durch eine Kraft und ein um den Sollgesamtbodenreaktionskraft- Mittelpunkt (den Mittelpunkt der Sollgesamtbodenreaktionskraft) herum wirkendes Moment ausgedrückt wird. Von den Komponenten Kraft und Moment ist die Momentkomponente die für die Haltungsstabilisation signifikante Komponente.

Bei der Erläuterung der Sollgesamtbodenreaktionskraft und des Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkts (Position) wird die vorausgesagte resultierende Kraft der Sollbodenreaktionskräfte, die auf die jeweiligen Füße während des Laufens vom Boden her wirken, als die Sollgesamtbodenreaktionskraft im weiteren Sinne bezeichnet. Die Sollgesamtbodenreaktionskraft im weiteren Sinne wird ausgedrückt durch den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt und die Kraft sowie das um den Mittelpunkt herum wirkende Moment. Der Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt ist ein Bodenpunkt, an welchem die um die X-Achse herum wirkende Momentkomponente und die um die Y-Achse herum wirkende Momentkomponente beide gleich Null sind, wenn die Gesamt-Bodenreaktionskraft durch die Kraft und das Moment definiert ist, deren Wirkungspunkt dieser Bodenpunkt ist.

Die Sollgesamtbodenreaktionskraft im engeren Sinne bezeichnet die Komponenten der Kraft und des Moments der Sollgesamtbodenreaktionskraft im weiteren Sinne. Die Sollgesamtbodenreaktionskraft, welche durch den Sollarbeitsmustergenerator erzeugt wird, gibt die Sollgesamtbodenreaktionskraft im engeren Sinne an.

Falls nicht anders beschrieben, gibt im Folgenden die Sollgesamtbodenreaktionskraft diejenige im engeren Sinne an. Wird angenommen, dass der Roboter auf einem flachen Boden läuft, so wird der Wirkungspunkt der Sollgesamtbodenreaktionskraft normalerweise auf den Boden gesetzt.

Das Konzept des ZMP (Nullmomentpunkt), welches bislang auf dem Gebiet der Roboterbewegungs-Steuerung/Regelung bekannt war, wird in dieser Beschreibung in einer erweiterten Bedeutung verwendet. Genauer gesagt wird ein Bodenpunkt, bei welchem die Momentkomponenten um die X-Achse und die Y-Achse der resultierenden Kraft (der Trägheitskraft, der Schwerkraft und der Objektreaktionskraft, welche durch die Roboterbewegung erzeugt werden) beide gleich Null sind, als ZMP bezeichnet, wenn die resultierende Kraft (der Trägheitskraft, der Schwerkraft und der Objektreaktionskraft, welche durch die Roboterbewegung erzeugt werden) durch die Kraft und das Moment unter Verwendung dieses Bodenpunkts als Wirkungspunkt ausgedrückt werden. Der ZMP in der Soll-Roboterbewegung ist der Soll-ZMP (genauer die Sollposition des ZMP).

Wenn gesagt wird, dass das Sollarbeitsmuster die dynamische Gleichgewichtsbedingung erfüllt, so heißt das, dass die erwählte resultierende Kraft der Trägheitskraft, der Schwerkraft und der Objektreaktionskraft, die durch die Soll-Roboterbewegung erzeugt werden, und die Sollgesamtbodenreaktionskraft sich einander zu Null aufheben. Um die dynamische Gleichgewichtsbedingung zu erfüllen, sollten demnach der Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt und der Soll-ZMP gleich sein.

Der Sollarbeitsmustergenerator erzeugt das Sollarbeitsmuster, welches die dynamische Gleichgewichtsbedingung erfüllt. Demnach ist in dem Muster der Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt gleich dem Soll-ZMP (Position).

Die Sollfußposition/-Haltung, die Sollrumpfposition/-Haltung und die Sollhandposition/-Haltung bezeichnen die entsprechenden Positionen und Haltungen, welche in dem erwähnten Koordinatensystem des Stützbeins ausgedrückt sind. Die Position und ihre (Verschiebungs-)Geschwindigkeit des Rumpfs 28 bezeichnet einen repräsentativen Punkt, wie etwa den Schwerpunkt des Rumpfes 28 und die (Verschiebungs-)Geschwindigkeit des Punkts. Darüber hinaus bezeichnen die Haltungen des Rumpfs und der Füße die Orientierung oder Richtung des Rumpfes und der Füße in dem absoluten Raum X, Y, Z.

Die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung und ihr Betrieb oder ihre Steuerung/Regelung sind der Kern der Haltungssteuerung/Regelung in dieser Ausführungsform. Die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung führt eine Steuerung/Regelung derart aus, dass die Haltung in Balance gehalten wird, wobei die dynamische Gleichgewichtsbedingung mitberücksichtigt wird. Bevor mit der Erläuterung der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung begonnen wird, wird im Folgenden die dynamische Gleichgewichtsbedingung selbst erläutert.

Der wichtigste Faktor unter den Faktoren, die das Roboterverhalten in der Haltungsneigung bestimmen, ist die Balance oder das Gleichgewicht des tatsächlichen Moments oder der Kraft, um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt (d.h. den Soll-ZMP).

Die Kraftmomente, welche um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt herum wirken, sind die folgenden:

  • 1) Das Moment der Trägheitskraft
  • 2) Das Moment der Schwerkraft
  • 3) Das Moment der Gesamtbodenreaktionskraft
  • 4) Das Moment der Objektreaktionskraft

Diese Momente werden im Folgenden definiert.

Das Moment der Trägheitskraft ist ein Moment, welches durch die Veränderung des Drehimpulses des Roboters um den Sollbodenreaktionskraft-Mittelpunkt herum erzeugt wird. Das Moment wird unter Verwendung der Eulerschen Gleichung berechnet. Genauer gesagt wird das Moment durch Berechnen der ersten Ableitung des Drehimpulses des Roboters um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt und nachfolgende Umkehrung des Vorzeichens des berechneten Werts erhalten.

Das Moment der Trägheitskraft des Sollarbeitsmusters wird als Sollmoment der Trägheitskraft bezeichnet. Das während der Arbeit des Roboters tatsächlich erzeugte Moment der Trägheitskraft wird als tatsächliches Moment der Trägheitskraft bezeichnet.

Das Moment der Schwerkraft ist das durch die Schwerkraft erzeugte Moment (welches auf den Schwerpunkt des Roboters wirkt), welches um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt wirkt.

Die resultierende Kraft der Bodenreaktionskräfte, die jeweils auf die jeweiligen Füße wirken, wird als die Gesamtbodenreaktionskraft definiert. Das Moment der Gesamtbodenreaktionskraft ist das Moment, welches durch die Gesamtbodenreaktionskraft erzeugt wird, die um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt wirkt.

Die auf den Roboter von dem Objekt her wirkende Reaktionskraft ist die Objektreaktionskraft. Das Moment der Objektreaktionskraft ist das Moment, welches durch die Objektreaktionskraft erzeugt wird, die um den Sollbodenreaktionskraft-Mittelpunkt wirkt.

Wenn hierbei angenommen wird, dass der Roboter 1 einem Bewegungsmuster des Sollarbeitsmusters mit Unterstützung einer Ideal-Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung treu folgt, so wird das tatsächliche Moment der Trägheitskraft gleich dem Sollmoment der Trägheitskraft sein und das tatsächliche Moment der Schwerkraft wird gleich dem Sollmoment der Schwerkraft sein.

Andererseits ist gemäß dem Gesetz der Dynamik (d.h. Eulersche Gleichung) die Summe des tatsächlichen Moments der Trägheitskraft, des tatsächlichen Moments der Schwerkraft, des tatsächlichen Moments der Gesamtbodenreaktionskraft und des tatsächlichen Moments der Objektreaktionskraft stets gleich Null.

Damit der Roboter 1 dem Bewegungsmuster des Sollarbeitsmusters treu folgt, muss daher die Summe des tatsächlichen Moments der Trägheitskraft, des tatsächlichen Moments der Schwerkraft, des Sollmoments der Gesamtbodenreaktionskraft und des Sollmoments der Objektreaktionskraft gleich Null sein. Dies wird als Bedingung 1 bezeichnet.

Eigentlich ist jedoch das tatsächliche Moment der Objektreaktionskraft nicht gleich dem Sollmoment der Objektreaktionskraft, was eine Differenz oder einen Fehler zwischen diesen verursacht. Dies wird der Fall sein, der unter Bezugnahme auf 4 erläutert ist, in welchem beispielsweise während des Schiebens eines Wagens der Betrag der tatsächlichen Roll-Reibungskraft des Wagens (des Objekts) plötzlich unter den angenommenen Wert abfällt.

In einer solchen Situation übersteigt das Moment, welches durch die um die Y-Achse des Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkts herum wirkende tatsächliche Objektreaktionskraft erzeugt wird, das Moment, welches durch die um die Y-Achse des Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkts herum wirkende Sollobjektreaktionskraft erzeugt wird, und zwar in der positiven Richtung, so dass dann die Bedingung 1 nicht erfüllt wird und ein Kippen des Roboters 1 nach vorn verursacht wird. Es ist anzumerken, dass die Momentrichtung in solcher Weise definiert ist, dass das Moment, das den Roboter 1 im Uhrzeigersinn in positiver Richtung auf der Koordinatenachse bewegt, positiv ist.

Um die Bedingung 1 selbst in einer solchen Situation zu erfüllen, sind zwei Verfahren denkbar.

Verfahren 1): Variieren des tatsächlichen Moments der Gesamtbodenreaktionskraft derart, dass die/der oben erwähnte Differenz oder Fehler aufgehoben wird. Speziell wird die Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung angewiesen, ein negatives Moment der Bodenreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt herum zu erzeugen. Die Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung steuert in Reaktion auf die Anweisung die Zehen der Füße 22R(L) nach unten, um das tatsächliche Moment der Bodenreaktionskraft in negativer Richtung zu erhöhen, mit anderen Worten, den Roboter derart zu steuern/regeln, dass er eine Haltung zum Anspannen der Beine einnimmt.

Verfahren 2): Korrigieren des Sollmoments der Trägheitskraft und des Sollmoments der Schwerkraft durch Korrigieren des Bewegungsmusters des Sollarbeitsmusters, so dass die/der oben erwähnte Differenz oder Fehler aufgehoben wird. Speziell werden das Sollmoment der Trägheitskraft und das Sollmoment der Schwerkraft durch Korrigieren der Sollrumpfposition/-Haltung korrigiert. Genauer gesagt wird der Rumpf derart gesteuert/geregelt, dass er sich vorwärts bewegt.

In dem System gemäß dieser Ausführungsform werden beide dieser beiden Methoden gleichzeitig verwendet. Speziell wird das Verfahren 1) hauptsächlich für einen kurzen Zeitraum verwendet, um eine schnelle Änderung zu bewältigen, während das Verfahren 2) hauptsächlich für einen langen Zeitraum verwendet wird, um das tatsächliche Moment der Gesamtbodenreaktionskraft zum ursprünglichen Sollmoment der Gesamtbodenreaktionskraft hin konvergieren zu lassen, so dass der Roboter zu jedem Zeitpunkt die dynamische Balance beibehält.

Da das tatsächliche Moment der Gesamtbodenreaktionskraft durch die Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung schnell geändert werden kann, indem lediglich das Sollmoment der Gesamtbodenreaktionskraft verändert wird, ist Verfahren 1) für eine schnelle Reaktion geeignet. Wenn jedoch das tatsächliche Moment der Gesamtbodenreaktionskraft im großen Umfang geändert wird, so wird sich eine Kontaktdruckverteilung auf die Sohlen der Füße 22R(L) ergeben, welche unvollständig ist und die Kontaktfähigkeit mit dem Boden verschlechtert. Dabei wird im schlimmsten Fall ein Abschnitt der Füße 22R(L) abgehoben werden. Über einen längeren Zeitraum sollte das Sollmoment der Gesamtbodenreaktionskraft daher vorzugsweise auf seinen Ursprungswert zurückgesetzt werden.

Um das Sollmoment der Gesamtbodenreaktionskraft auf seinen Ursprungswert zurückzusetzen, reicht es aus, wenn das Bewegungsmuster des Sollarbeitsmusters unter Verwendung des Verfahrens 2) derart korrigiert wird, dass die Position des Schwerpunkts so verschoben wird, dass die/der zuvor erwähnte Differenz oder Fehler durch das Sollmoment der Schwerkraft aufgehoben wird. Die Position des Schwerpunkts sollte vorzugsweise allmählich verlagert werden, da in dem Fall, dass die Position des Schwerpunkts schnell verlagert wird, dies ein übermäßiges Sollmoment der Trägheitskraft in der entgegengesetzten Richtung erzeugen würde. Somit ist das Verfahren 2) dafür geeignet, eine Situation zu bewältigen, die eine lange Zeit benötigt.

Auf Grundlage des oben Erwähnten wird die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung erläutert. Die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung ist das System, welches die Funktion hat, die oben erwähnte Steuerung/Regelung durchzuführen.

Die Eingaben für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung sind die Sollrumpfposition/-haltung, der Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt (die Position des Mittelpunkts der Sollgesamtbodenreaktionskraft), die Sollobjektreaktionskraft, die Ausgabe des Kraftsensors 58, eine endgültige korrigierte Sollhandposition/-haltung, eine endgültige korrigierte Sollrumpfposition/-haltung sowie eine endgültige korrigierte Sollfußposition/-haltung. (Falls eine Näherung verwendet wird, so sind die endgültige korrigierte Sollhandposition/-haltung, die endgültige korrigierte Sollrumpfposition/-haltung und die endgültige korrigierte Sollfußposition/-haltung nicht notwendig, wie später erläutert wird).

Um die oben erwähnte Steuerung/Regelung zu bewirken, ersetzt die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung die Sollobjektreaktionskraft mit der tatsächlichen Objektreaktionskraft (erfasster Wert) und korrigiert die Sollrumpfposition/-haltung und die Sollgesamtbodenreaktionskraft derart, dass dynamische Balance oder Gleichgewicht erzielt wird. Dabei wird die in dem korrigierten Arbeitsmuster angenommene Objektreaktionskraft (d.h. die korrigierte Sollobjektreaktionskraft) gleich der tatsächlichen Objektreaktionskraft und dementsprechend wird die dynamische Gleichgewichtsbedingung des Roboters erfüllt.

Die Ausgaben der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung sind die korrigierte Sollrumpfposition/-haltung sowie eine Kompensations-Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung.

Die korrigierte Sollrumpfposition/-haltung ist eine Sollrumpfposition/-haltung, welche durch die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung korrigiert wurde. Die Kompensations-Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung ist eine Gesamtbodenreaktionskraft, welche dem Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt (Position) durch Korrektur hinzuzufügen ist. Von den Komponenten der Kompensations-Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung sind die signifikanten Komponenten für die Haltungsstabilisierung insbesondere die Momentkomponente um die X-Achse und die Momentkomponente um die Y-Achse.

Bei der Erläuterung der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung in Bezug auf das Verhalten ihrer Ausgaben gilt hier, dass dann, wenn die Differenz oder der Fehler zwischen der tatsächlichen Objektreaktionskraft und der Sollobjektreaktionskraft, genauer gesagt, die Differenz oder der Fehler im Moment zwischen diesen, sich schnell ändert und wenn er sich speziell in stufenförmiger Art verändert, wie dies in 7 illustriert ist, die Momentkomponenten der Kompensations-Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung in Reaktion auf die Differenz oder den Fehler schnell reagieren werden, um die dynamische Gleichgewichtsbedingung zu erfüllen.

Nachdem eine bestimmte Zeit verstrichen ist, pegelt sich die korrigierte Sollrumpfposition/-haltung auf die Position und Haltung ein, bei welchen die Balance statisch aufgehoben ist, und die Momentkomponenten der Kompensations-Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung konvergieren zu Null. Die Konfiguration sowie auch der Algorithmus der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung werden später erläutert.

In 3 sind die Sollwerte, welche der Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung eingegeben werden, die korrigierte Sollrumpfposition/-haltung, die Sollfußposition/-haltung, der Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt (Position) sowie die Sollgesamtbodenreaktionskraft und die Kompensations-Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektgleichgewichts-Steuerung/Regelung, welche auf diesen Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt wirkt.

Die Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung ist, kurz gesagt, eine Steuer-/Regeleinrichtung, welche die Beinbetätiger (Elektromotoren und Kodiereinrichtungen für das Gelenk 10R(L) usw.) verändert oder ansteuert und gleichzeitig die Haltungsstabilisierungs-Steuerung/Regelung ausführt, um der gewünschten Haltung zu folgen, sowie die Bodenreaktionskraft-Steuerung/Regelung ausführt, um der Sollbodenreaktionskraft zu folgen. Da es jedoch unmöglich ist, sowohl die Sollhaltung als auch die Sollbodenreaktionskraft zur selben Zeit vollständig einzuhalten, ist die Steuerung/Regelung derart eingerichtet, dass beide über einen langen Zeitraum irgendwann einmal erreicht werden.

Spezieller berechnet die Steuer-/Regeleinrichtung eine Wiederherstellungs-Gesamtbodenreaktionskraft, welche um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt herum erzeugt werden soll, derart, dass die tatsächliche, durch den Neigungssensor 60 erfasste Rumpfposition/-haltung zur korrigierten Sollrumpfposition/-haltung wiederhergestellt oder korrigiert wird, und korrigiert die Sollfußposition/-haltung derart, dass sie die Füße 22R(L) nach oben oder nach unten dreht oder bewegt, so dass die Momentkomponenten der um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt herum wirkenden tatsächlichen Gesamtbodenreaktionskraft gleich den Momentkomponenten der resultierenden Kraft aus der Wiederherstellungs-Gesamtbodenreaktionskraft, der Sollgesamtbodenreaktionskraft und der Kompensations-Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung-/Regelung wird. Die korrigierte Sollfußposition und -haltung wird als endgültige korrigierte Sollfußposition und -haltung bezeichnet.

Die Steuer-/Regeleinrichtung korrigiert somit die Sollfußposition/-haltung derart, dass die Momentkomponenten der um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt herum wirkenden tatsächlichen Gesamtbodenreaktionskraft gleich den Momentkomponenten der Resultierenden der Sollgesamtbodenreaktionskraft und der Kompensations-Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung-/Regelung ist, wenn die tatsächliche Rumpfposition/-haltung sowie auch die Änderungsrate derselben, welche durch den Neigungssensor 60 erfasst werden, gleich der korrigierten Sollrumpfposition/-haltung und der Änderungsrate derselben sind.

Ferner steuert/regelt die Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung die Beinbetätiger derart, dass die tatsächlichen Gelenkverstellungen Sollgelenkverstellungen folgen, die durch die korrigierte Sollrumpfposition/-haltung und die korrigierte Sollfußposition/-haltung bestimmt sind.

Das Hauptbein-Steuer-/Regelsystem umfasst die Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung, den Neigungssensor 60, den Kraftsensor 56, die Betätigeransteuerungseinrichtungen 88 sowie die Betätiger (d.h. Elektromotoren und Kodiereinrichtungen, welche in den Gelenken 10R(L) bis 20R(L) bereitgestellt sind).

Die durch die Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung korrigierte Sollfußposition/-haltung wird als endgültige korrigierte Sollfußposition/-haltung in die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung eingegeben. Es sollte angemerkt werden, dass jedoch dann, wenn die Positionsveränderung des Schwerpunkts des Roboters aufgrund der Korrektur der Sollfußposition/-haltung in der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung vernachlässigbar ist, es unnötig ist, die endgültige korrigierte Sollfußposition/-haltung in die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung einzugeben.

In 3 sind die Sollwerte, welche in die Hauptarm-Steuer-/Regeleinrichtung eingegeben werden, die korrigierte Sollrumpfposition/-haltung, die Sollhandposition/-haltung und die Sollobjektreaktionskraft.

Zur kurzen Vorstellung der Funktion der Hauptarm-Steuer-/Regeleinrichtung: Sie betätigt die Armbetätiger (die Elektromotoren und Codiereinrichtungen, welche an den Gelenken 30R(L) usw. bereitgestellt sind) und führt gleichzeitig die Haltungs-Steuerung/Regelung zum Folgen einer Sollhaltung und die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung-/Regelung zum Folgen der Sollobjektreaktionskraft aus. Da es unmöglich ist, sowohl die Sollhaltung als auch die Sollobjektreaktionskraft vollständig einzuhalten, verwendet sie geeignete bekannte Techniken als Manipulator-Befolgungssteuerung/Regelung, wie etwa die so genannte „virtual compliance control" („Quasi-Befolgungs-Steuerung/Regelung") (JSME Mechanical Engineer's Handbook; Engineering, C4, Seite 100).

Die Konfiguration und der Algorithmus des Hauptarm-Steuer-/Regelsystems wird nun genauer erläutert. Es umfasst die Hauptarm-Steuer-/Regeleinrichtung, den an den Händen 44R(L) bereitgestellten Kraftsensor 58, die Betätigeransteuerungseinrichtungen 88 sowie die Betätiger (d.h. Elektromotoren und Kodiereinrichtungen, welche in den Gelenken 30R(L) bis 42R(L) bereitgestellt sind.

Die Hauptarm-Steuer-/Regeleinrichtung korrigiert die Sollhandposition/-haltung in Antwort auf die Differenz oder den Fehler zwischen der durch den Kraftsensor 58 erfassten tatsächlichen Objektreaktionskraft und der Sollobjektreaktionskraft. Die korrigierte Sollhandposition/-haltung wird als endgültige korrigierte Sollhandposition/-haltung bezeichnet. Die Hauptarm-Steuer-/Regeleinrichtung steuert/regelt die Armbetätiger derart, dass die tatsächlichen Gelenkverstellungen den Sollgelenkverstellungen folgen, die durch die korrigierte Sollrumpfposition/-haltung und die endgültige korrigierte Sollhandposition/-haltung bestimmt sind.

Die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung wird weiter erläutert.

8 ist ein Blockdiagramm, welches eine erste Hälfte der Steuer-/Regelprozeduren der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung zeigt und 9 ist ein Blockdiagramm, welches die letzte Hälfte der Steuer-/Regelprozeduren der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung zeigt.

Die Prozeduren der ersten Hälfte werden unter Bezugnahme auf 8 erläutert.

Da erwartet wird, dass die Hände 44R(L) nahezu bei der endgültigen korrigierten Sollhandposition/-haltung durch die Hauptarm-Steuer-/Regeleinrichtung gesteuert/geregelt werden, wird die durch den Kraftsensor 58 erfasste tatsächliche Objektreaktionskraft in das Moment und die Kraft um den Ursprung des Stützbein-Koordinatensystems auf Grundlage der korrigierten Sollhandposition/-haltung umgewandelt. (Dies kann durch Abschätzen der tatsächlichen Handposition/-haltung aus den tatsächlichen Gelenkverstellungen unter Verwendung der kinematischen Lösung und anschließende Umwandlung der tatsächlichen Objektreaktionskraft unter Verwendung des abgeschätzten Werts durchgeführt werden.)

Dann wird die umgewandelte tatsächliche Objektreaktionskraft in die Kraft und das Moment um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt umgewandelt, um das tatsächliche Moment der Objektreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt zu bestimmen. Dann wird das Sollmoment der Objektreaktionskraft von dem ermittelten Moment subtrahiert, um die/den Momentdifferenz oder -fehler der Objektreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt zu bestimmen.

Als nächstes wird die letzte Hälfte von Prozeduren der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung unter Bezugnahme auf 9 erläutert.

Zuerst wird ein dort verwendetes dynamisches Störungsmodell erläutert.

Das dynamische Störungsmodell ist ein Modell, welches die Beziehung zwischen einem Störbetrag des Sollmoments der Gesamtbodenreaktionskraft und einem Störbetrag der Sollrumpfposition/-haltung in einer Situation angibt oder beschreibt, in welcher die Bewegung (Störung) des Sollarbeitsmusters durch eine bestimmte Zwangsbedingung gegeben ist. Das Modell wird unter der Annahme erläutert, dass beispielsweise von allen Rumpfpositionen nur die horizontale Rumpfposition gestört wird, während die Roboter-Rumpfhaltung dem Sollwert angeglichen wird, wie in 10 illustriert ist.

Die Symbole haben wir dabei wie folgt definiert: m: Gesamtrobotermasse

g:
Erdbeschleunigung
h:
Höhe des Schwerpunkts des Roboters über dem Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt
&Dgr;xG:
X-Komponente eines Störbetrags der Sollposition des Schwerpunkts
&Dgr;yG:
Y-Komponente eines Störbetrags der Sollposition des Schwerpunkts
&Dgr;xb:
X-Komponente eines Störbetrags der Sollrumpfposition
&Dgr;yb:
Y-Komponente eines Störbetrags der Sollrumpfposition
&Dgr;Mx:
X-Komponente eines Störbetrags des Sollmoments der Gesamtbodenreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt
&Dgr;My:
Y-Komponente eines Störbetrags des Sollmoments der Gesamtbodenreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt
&Dgr;MGx:
X-Komponente eines Störbetrags des Sollmoments der Schwerkraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt
&Dgr;MGy:
Y-Komponente eines Störbetrags des Sollmoments der Schwerkraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt
&Dgr;Lx:
X-Komponente eines Störbetrags des Solldrehimpulses um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt
&Dgr;Ly:
Y-Komponente eines Störbetrags des Solldrehimpulses um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt
d(a)/dt:
Zeitableitung der Variable a
d(d(a)/dt)/dt:
zweite Zeitableitung der Variable a

Die Definition des Schwerkraftmoments ergibt die folgende Gleichung &Dgr;MGx = –&Dgr;yG·mg

&Dgr;MGy = &Dgr;xG·mgGleichung 1

Wenn das äquivalente Moment der Trägheit um den Schwerpunkt für die Roboterbewegung oder die Störung ausreichend klein und vernachlässigbar ist, so kann die folgende Gleichung erhalten werden. &Dgr;Lx = –mh·d(&Dgr;yG)/dt

&Dgr;Ly = mh·d(&Dgr;xG)/dtGleichung 2

Aus der Eulerschen Gleichung kann die folgende Gleichung erhalten werden. d(&Dgr;Lx)/dt = &Dgr;MGx + &Dgr;Mx

d(&Dgr;Ly)/dt = &Dgr;MGy + &Dgr;MyGleichung 3

Aus den Gleichungen 1, 2 und 3 wird die folgende Gleichung als Bewegungsgleichung des dynamischen Störungsmodells erhalten. mh·d(d(&Dgr;xG)/dt)/dt = &Dgr;xG·mg + &Dgr;My

mh·d(d(&Dgr;yG)/dt)/dt = &Dgr;yG·mg – &Dgr;MxGleichung 4

Man erkennt, dass der Störbetrag der Sollposition des Schwerpunkts sowie der der Sollrumpfposition nahezu in proportionaler Beziehung sind. Wenn man demnach den Proportionalitätskoeffizienten als k definiert, so wird der Störbetrag der Sollrumpfposition durch die folgende Gleichung bestimmt. &Dgr;xb = k·&Dgr;xG

&Dgr;yb = k·&Dgr;yGGleichung 5

Das dynamische Störungsmodell wird dafür verwendet, den Störbetrag der Sollposition des Schwerpunkts sowie die Störung der Sollrumpfposition auf Grundlage von Gleichung 4 und 5 zu berechnen oder zu bestimmen. Da, genauer gesagt, das System digitale Berechnungen verwendet, wird Gleichung 4 diskretisiert und verwendet. Anzumerken ist, dass Gleichung 4 gleich der Gleichung des Verhaltens eines in 11 illustrierten umgekehrten Pendels mit der Höhe h und der Masse m ist.

Wie in der letzten Hälfte der in 9 gezeigten Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung illustriert ist, wird die/der oben erwähnte Momentdifferenz oder -fehler der Objektreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt in eine Berechnungseinrichtung für den endgültigen Störbetrag der Sollschwerpunktsposition eingegeben.

Der Störbetrag des Schwerpunkts, um in einem langen Zeitraum die/den Momentdifferenz oder -fehler der Objektreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt aufzuheben, um somit die Balance zu behalten, wird als Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition bezeichnet. Somit berechnet die Berechungseinrichtung für den Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition den Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition auf Grundlage der/des Momentdifferenz oder -fehlers.

Hierbei sind die Symbole wie folgt definiert.

&Dgr;Mox:
X-Komponente der/des Momentdifferenz oder -fehlers der Objektreaktionskraft
&Dgr;Moy:
Y-Komponente der/des Momentdifferenz oder -fehlers der Objektreaktionskraft
&Dgr;MGox:
X-Komponente des durch den Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition erzeugten Schwerkraftmoments
&Dgr;MGoy:
Y-Komponente des durch den Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition erzeugten Schwerkraftmoments
&Dgr;xGe:
X-Komponente des Störbetrags der endgültigen Sollschwerpunktsposition
&Dgr;yGe:
Y-Komponente des Störbetrags der endgültigen Sollschwerpunktsposition.

Um die/den Momentdifferenz oder -fehler der Objektreaktionskraft durch das durch den Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition erzeugte Schwerkraftmoment aufzuheben, muss die folgende Gleichung erfüllt sein. &Dgr;MGox = –&Dgr;Mox

&Dgr;MGoy = –&Dgr;MoyGleichung 6

Das durch den Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition erzeugte Schwerkraftmoment kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. &Dgr;MGox = –mg·&Dgr;yGe

&Dgr;MGoy = mg·&Dgr;xGeGleichung 7

Gleichungen 6 und 7 führen zur folgenden Gleichung. &Dgr;xGe = –&Dgr;Moy/mg

&Dgr;yGe = &Dgr;Mox/mgGleichung 8

Somit kann der Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition unter Verwendung von Gleichung 8 berechnet oder bestimmt werden.

Es wird eine Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung in der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung erläutert. Wenn eine Differenz oder ein Fehler zwischen dem Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition und dem Störbetrag der Sollschwerpunktsposition, welche durch das dynamische Störungsmodell bestimmt wurden, als Differenz oder Fehler der Schwerpunktsverlagerung bezeichnet wird, so führt die Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung eine Steuerung/Regelung derart aus, dass die Differenz oder der Fehler der Schwerpunktsverlagerung gegen Null konvergiert. Die Ausgabe der Berechnungseinrichtung ist das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung.

Speziell kann das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung-/Regelung unter Verwendung eines PD-Steuer-/Regelgesetzes bestimmt werden, welches beispielsweise wie folgt dargestellt ist.

Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für eine Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung-/Regelung = Kp·Differenz der Schwerpunktsverlagerung + Kd·Differentialwert der Differenz der SchwerpunktsverlagerungGleichung 10

Dabei ist Kp eine Proportionalverstärkung und Kd ist eine Differentialverstärkung.

Es wird eine Addiereinrichtung erläutert, welche sich unmittelbar im Anschluss an die Ausgabe der Modell-Steuer-/Regelgesetz-Recheneinheit befindet. Durch die Addiereinrichtung wird dem dynamischen Störmodell die Summe des Kompensationsmoments der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung-/Regelung und der/des Momentdifferenz oder -fehlers des Objektreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt als ein Störbetrag des Sollmoments der Gesamtbodenreaktionskraft für das Modell (Modelleingabebetrag) eingegeben und ein Störbetrag der Sollrumpfposition/-haltung entsprechend dieser Eingabe wird berechnet. Der berechnete Wert wird zu der Sollrumpfposition/-haltung addiert, um die korrigierte Sollrumpfposition/-haltung zu ermitteln oder zu erzeugen.

Da das dynamische Störmodell die dynamische Gleichgewichtsbedingung erfüllt, ist die Summe des Störbetrags des Sollmoments der Trägheitskraft und des Störbetrags des Sollmoments der Schwerkraft (erzeugt durch den Störbetrag der Sollrumpfposition/-haltung, welcher die Ausgabe des Modells ist) und der Modelleingabe gleich Null.

Dies führt zu der folgenden Gleichung.

Störbetrag des Sollmoments der Trägheitskraft + Störbetrag des Sollmoments der Schwerkraft + Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichtssteuerung/-regelung + Momentdifferenz der Objektreaktionskraft = 0.Gleichung 11

Andererseits wird die Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung dazu angewiesen, zusätzlich das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung-/Regelung um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt herum zu erzeugen. Mit anderen Worten wird eine Steuerung/Regelung derart ausgeführt, dass das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung-/Regelung als Störbetrag des tatsächlichen Moments der Gesamtbodenreaktionskraft dem tatsächlichen Moment der Gesamtbodenreaktionskraft hinzu addiert wird. Das daraus resultierende tatsächliche Moment der Gesamtbodenreaktionskraft wird als korrigiertes tatsächliches Moment der Gesamtbodenreaktionskraft bezeichnet.

Demnach führt das oben Gesagte zu der folgenden Gleichung.

Störbetrag des tatsächlichen Moments der Gesamtbodenreaktionskraft = Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung.Gleichung 12

Gleichungen 11 und 12 führen zu der folgenden Gleichung. Störbetrag des Sollmoments der Trägheitskraft + Störbetrag des Sollmoments der Schwerkraft + Störbetrag des tatsächlichen Moments der Gesamtbodenreaktionskraft + Momentdifferenz der Objektreaktionskraft = 0Gleichung 13

Die Tatsache, dass das Sollarbeitsmuster die dynamische Gleichgewichtsbedingung erfüllt, erfüllt die folgende Gleichung, wenn der Roboter unter einem idealen Zustand arbeitet. Sollmoment der Trägheitskraft + Sollmoment der Schwerkraft + tatsächliches Moment der Gesamtbodenreaktionskraft + Sollmoment der Objektreaktionskraft = 0Gleichung 14

Auf Grundlage der Tatsache, dass die jeweiligen korrigierten Momente die Addition der ursprünglichen Momente und der Momentstörbeträge sind und dass das tatsächliche Moment der Objektreaktionskraft die Summe des Sollmoments der Objektreaktionskraft und der/des Momentdifferenz oder -fehlers der Objektreaktionskraft ist, wird die folgende Identität entsprechend Gleichungen 13 und 14 erhalten. Korrigiertes Sollmoment der Trägheitskraft + korrigiertes Sollmoment der Schwerkraft + korrigiertes tatsächliches Moment der Gesamtbodenreaktionskraft + tatsächliches Moment der Objektreaktionskraft = 0.Gleichung 15

Gleichung 15 zeigt an, dass das Sollmoment der Trägheitskraft, das Sollmoment der Schwerkraft und das tatsächliche Moment der Gesamtbodenreaktionskraft durch die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung korrigiert werden, egal wie das tatsächliche Moment der Objektreaktionskraft von dem Sollmoment der Objektreaktionskraft abweicht, und dass Gleichung 1 stets erfüllt ist.

Mit der gleichen Aussage unter Verwendung von Gleichung 13 werden der Störbetrag der Sollträgheitskraft, der Störbetrag der Sollschwerkraft und der Störbetrag der tatsächlichen Gesamtbodenreaktionskraft durch die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung erzeugt, selbst wenn die/der Momentdifferenz oder -fehler der Objektreaktionskraft vorhanden ist, so dass die/der Momentdifferenz oder -fehler der Objektbodenreaktionskraft derart aufgehoben wird, dass Gleichung 1 erfüllt ist.

Das Verhalten der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Reglung während der in 4 illustrierten Arbeit des Schiebens eines Wagens wird unter erneuter Bezugnahme auf 7 erläutert.

Erneut wird die Bedingung angenommen, dass der Betrag der Rollreibungskraft plötzlich unter den angenommenen Wert abfällt und in einer stufenartigen Weise abnimmt und dass sich außerdem die/der Momentdifferenz oder -fehler der Objektreaktionskraft in ähnlicher stufenartiger Weise, wie illustriert, ändert.

In Reaktion hier auf ist jedoch die Steuerung/Regelung derart konfiguriert, dass der Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktposition durch die Berechnungseinrichtung für den Störbetrag des endgültigen Sollschwerpunkts berechnet wird, und ist derart konfiguriert, dass der Kompensationsbetrag der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung durch die Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung in Reaktion auf die Differenz oder den Fehler zwischen dem Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktposition und dem Störbetrag der Sollschwerpunktposition berechnet wird.

Wie in 7 illustriert ist, nähert sich das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung allmählich Null an, wenn sich der Störbetrag der Sollschwerpunktposition allmählich dem Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktposition annähert. Die Summe des Kompensationsmoments der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung und der/des Momentdifferenz oder -fehlers der Objektreaktionskraft wird dem dynamischen Störmodell eingegeben und der Störbetrag der Sollschwerpunktposition sowie die Störung der Sollrumpfposition/-haltung werden von dem dynamischen Störmodell ausgegeben. Da die Zwangsbedingung, dass die Haltung des Rumpfes unverändert bleiben sollte, vorgegeben ist, ist der Störbetrag der Sollposition/-haltung gleich Null.

Da, wie oben erwähnt wurde, das dynamische Störmodell die dynamische Gleichgewichtsbedingung erfüllt, ist die Gesamtsumme, welche erhalten wird durch Addieren des dem dynamischen Störmodell eingegebenen Moments zu der Summe des Störbetrags des Sollmoments der Trägheitskraft und des Störbetrags des Sollmoments der Schwerkraft, erzeugt durch den Störbetrag der Sollrumpfposition/-haltung, gleich Null.

Mit anderen Worten ist die Summe aus dem Störbetrag des Sollmoments der Trägheitskraft, der Störung des Sollmoments der Schwerkraft, dem Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung und der/des Momentdifferenz oder -fehlers der Objektreaktionskraft gleich Null. Wie in 7 illustriert ist, ist diese Beziehung stets erfüllt. Der Störbetrag der Sollschwerpunktposition wird durch die Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung derart gesteuert/geregelt, dass er sich allmählich dem Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktposition annähert. Der Störbetrag der Sollschwerpunktposition verändert sich proportional oder nahezu proportional mit dem Störbetrag des Sollmoments der Schwerkraft.

Was vorstehend beschrieben wurde, ist das Verhalten der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung. Die Berechnung für die Steuerung/Regelung wird einmal pro vorbestimmtem Steuer-/Regelzyklus ausgeführt. Im Ergebnis wird unabhängig davon, wann sich das tatsächliche Moment der Objektreaktionskraft ändert, das dynamische Gleichgewicht stets aufrechterhalten oder reserviert. Mit anderen Worten, wenn das Moment der Objektreaktionskraft von dem Sollwert abweicht, so wird die Haltung des Roboters 1 derart gesteuert/geregelt, dass er zunächst eine Haltung zum Absenken und Anspannen der Zehen der Füße 22R(L) einnimmt, um das Moment der Gesamtbodenreaktionskraft zu verändern, und dann allmählich den Rumpf nach vorn bewegt, so dass er auf dem Moment der Schwerkraft beruht.

12 ist eine Ansicht, welche die Konfiguration einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in welcher ein Begrenzer 200 bereitgestellt ist, der die Störung der endgültigen Sollschwerpunktsposition innerhalb oberer und unterer Schranken beschränkt.

Wenn in der oben erwähnten, vorhergehenden Ausführungsform der Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktposition als übermäßig groß ermittelt wird, so wird der Roboter manchmal nicht in der Lage sein, eine korrigierte Sollhaltung anzunehmen. Um dies zu vermeiden, ist das System daher so konfiguriert, dass ein vorbestimmter Bereich oberer und unterer Schranken gesetzt ist und der nach Maßgabe von Gleichung 8 bestimmte Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktposition ist innerhalb dieses Bereichs begrenzt. Der Bereich oder die Schranken können fest oder variabel sein.

Ferner ist das System derart konfiguriert, dass ein zweiter Begrenzer 300 in solcher Weise bereitgestellt ist, dass das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung, welches durch die Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung berechnet wird, innerhalb eines vorbestimmten Bereichs oberer und unterer Schranken begrenzt ist.

Speziell wird das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung auch an den Füßen 22R(L) des Roboters erzeugt. Da jedoch das Moment der Gesamtbodenreaktionskraft, welches am Fuß erzeugt wird, einen zulässigen Bereich hat, verschlechtert dies die Kontaktfähigkeit der Füße mit dem Boden, wenn das Moment die Schranke überschreitet, wodurch gelegentlich ein Abheben eines Abschnitts der Füße vom Boden verursacht wird. Um dies zu vermeiden, ist das System daher derart konfiguriert, dass der vorbestimmte Bereich oberer und unterer Schranken gesetzt ist und das Moment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung, welches nach Maßgabe von Gleichung 10 ermittelt wird, innerhalb dieses Bereichs begrenzt ist. Ähnlich des ersten Begrenzers 200 können der Bereich oder die Schranken fest oder variabel sein.

13 ist eine Ansicht, welche die Konfiguration einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in welcher ein Begrenzer 400 bereitgestellt ist, der die Eingabe der Berechnungseinrichtung für den Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktposition innerhalb eines vorbestimmten Bereichs oberer und unterer Schranken begrenzt, und ein zweiter Begrenzer 500 bereitgestellt ist, so dass das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung durch einen Wert außerhalb des Bereichs des ersten Begrenzers 400 korrigiert wird.

Um in der in 12 illustrierten zweiten Ausführungsform zu verhindern, dass der Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktsposition übermäßig wird, ist der Bereich der oberen und unteren Schranken vorbestimmt, um den nach Maßgabe von Gleichung 8 bestimmten Störbetrag der endgültigen Sollschwerpunktposition zu beschränken. Der den Bereich überschreitende Wert wird jedoch zu der Ausgabe der Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung an einer Addiereinrichtung 600 addiert (12), um dem Modell eingegeben zu werden. Wenn die Objektreaktionskraft übermäßig wird und der Begrenzer in Funktion ist, so wird die Störung der Schwerpunktposition, welche sich mit der/dem Momentdifferenz oder -fehler der Objektreaktionskraft aufheben sollte, unvorteilhaft derart umgeschaltet, dass sie sich in entgegengesetzter Richtung bewegt.

Die dritte Ausführungsform zielt darauf ab, diesen erwähnten Nachteil zu beheben, und ist derart konfiguriert, dass die den Bereich des ersten Begrenzers 400 überschreitende Eingabe durch das zweite Filter 500 an eine Addiereinrichtung 700 weitergeleitet wird, wo sie von der Ausgabe der Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechungseinrichtung subtrahiert wird. Mit anderen Worten ist die Ausführungsform derart konfiguriert, dass das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuerung/Regelung in solcher Weise korrigiert wird, dass die Polarität umgekehrt wird, um eine Kraft in eine Richtung zu erzeugen, die der Richtung derjenigen Kraft entgegengesetzt ist, die zum Umkippen des Roboters führt. Dadurch wird die Roboterhaltung derart gesteuert/geregelt, dass der Roboter das durch die Füße 22R(L) erzeugte Bodenreaktionsmoment ausgleicht.

Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform wird der den Bereich überschreitende Wert nicht in einer Addiereinrichtung 710 (13) zu der Ausgabe der Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung addiert und der addierte Wert wird nicht dem Modell eingegeben. Somit kann der zuvor erwähnte Nachteil behoben werden, dass die/der überschüssige Momentdifferenz oder -fehler eine Störung der Schwerpunktposition in entgegengesetzter Richtung bewirkt. Der Rest der Ausführungsform unterscheidet sich nicht von den vorhergehenden Ausführungsformen. Ähnlich der vorhergehenden Ausführungsform können der Bereich oder die Schranken des ersten Begrenzers 400 fest oder variabel sein. Alternativ ist es möglich, nach der Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung einen Begrenzer ähnlich dem Begrenzer 300 hinzuzufügen.

14 ist eine Ansicht, welche die Konfiguration einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt, in welcher ein umgekehrtes Pendel, das zusätzlich das Trägheitsmoment I beschreibt, bereitgestellt ist, um die Genauigkeit des dynamischen Störmodells in der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung zu verbessern.

Das dynamische Störmodell wird erneut erläutert. Die Höhe h kann ein Festwert sein, wenn sich die Höhe des Schwerpunkts wenig ändert. Wenn sich jedoch die Höhe des Schwerpunkts abhängig von der durchgeführten Arbeit oder Aufgabe verändert, so ist es alternativ möglich, die Höhe des Schwerpunkts auf Grundlage der endgültigen korrigierten Sollrumpfposition/-haltung, der endgültigen korrigierten Sollfußposition/-haltung sowie der endgültigen korrigierten Sollhandposition/-haltung zu bestimmen und die Höhe h in Reaktion darauf zu variieren.

Um die Beziehung zwischen dem Störbetrag der Schwerpunktsposition und dem Störbetrag der Rumpfposition genauer zu bestimmen, ist es alternativ möglich, ein geometrisches Mehrfachverbindungsmodell zu haben, welches den Roboter mit den Bein- und den Armgliedern beschreibt, und die Differenz oder den Fehler zwischen der Schwerpunktposition, die aus der endgültigen korrigierten Sollrumpfposition/-haltung, der endgültigen korrigierten Sollfußposition/-haltung und der endgültigen korrigierten Sollhandposition/-haltung bestimmt wird, und der anderen Schwerpunktposition, die aus der Rumpfposition/-haltung (erhalten durch Subtrahieren des Störbetrags der Rumpfposition von der endgültigen korrigierten Sollrumpfposition/-haltung), der endgültigen korrigierten Sollfußposition/-haltung und der endgültigen korrigierten Sollhandposition/-haltung bestimmt wird, zu erhalten, so dass der Störbetrag der Rumpfposition aus dem Störbetrag der Schwerpunktposition unter Verwendung der ermittelten Beziehung bestimmt wird.

Darüber hinaus ist es alternativ möglich, dass man ein dynamisches Mehrgliedmodell hat, das den Roboter mit den Bein- und den Armgliedern beschreibt, welchem der Störbetrag der Sollbodenreaktionskraft eingegeben wird und welches den Störbetrag der Sollrumpfposition/-haltung und den Störbetrag des Schwerpunkts ausgibt, vorausgesetzt, das Bewegungsmuster ist mit einer bestimmten Zwangsbedingung gegeben.

Unabhängig von dem oben Gesagten wird dann, wenn ein dynamisches Störmodell verwendet wird, bei welchem der Einfluss des Störbetrags der Trägheitskraft und/oder der Schwerkraft der Arme mitberücksichtigt werden muss, wenn die Arme aus einem Sollarbeitsmuster gestört werden, die Rechenbelastung des Steuer-/Regelsystems groß.

Genauer gesagt wird der Störbetrag der Trägheitskraft und/oder der Schwerkraft der Arme durch den Störbetrag der Sollrumpfposition/-haltung beeinflusst und umgekehrt. Wenn demnach das Verhalten des Modells unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen diesen zu berechnen ist, so würde dies eine extrem komplizierte Berechnung erfordern.

Um dieses Problem zu lösen, kann das folgende Verfahren wirkungsvoll sein.

In dem dynamischen Störmodell ist der Einfluss des Störbetrags der Trägheitskraft und/oder der Schwerkraft der Arme, wenn die Arme aus einem Sollarbeitsmuster gestört werden, zu vernachlässigen und es wird vorausgesetzt, dass sich die Arme nur entsprechend dem Sollbewegungsmuster bewegen. Auf Grundlage dieser Annahme wird es möglich, das Modellverhalten durch das umgekehrte Pendel anzunähern, ähnlich dem, welches bei der Erläuterung des dynamischen Störmodells als Beispiel beschrieben wurde, wodurch die Berechnung des Modells ziemlich einfach wird.

Dabei ist es notwendig, in der Hauptarm-Steuer-/Regeleinrichtung den Störbetrag der Trägheitskraft und/oder der Schwerkraft der Arme auf Grundlage der Sollhandposition/-haltung, der Sollrumpfposition/-haltung, der endgültigen korrigierten Sollhandposition/-haltung und der endgültigen korrigierten Sollrumpfposition/-haltung zu berechnen, wenn die Arme aus der Sollhaltung in eine endgültige Sollhaltung gestört werden. Dies kann durch Ausführen der dynamischen Berechnung der Mehrgliedmanipulatoren, (welche im Fachgebiet bekannt ist) durchgeführt werden. Die Ergebnisse sollten in dem Koordinatensystem auf Grundlage der endgültigen korrigierten Sollhandposition/-haltung ausgedrückt werden.

Der berechnete Störbetrag der Trägheitskraft und/oder Schwerkraft sollte dann zur Objektreaktionskraft addiert werden und der erhöhte Wert sollte dann der Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung als die tatsächliche Objektreaktionskraft weitergeleitet werden.

Durch Ausführen dieser Prozeduren kann der Einfluss des Störbetrags der Trägheitskraft und/oder der Schwerkraft der Arme (welche in dem Modell vernachlässigt werden) als Objektreaktionskraft mitberücksichtigt werden. Da somit die Berechnung des Störbetrags der Trägheitskraft und/oder der Schwerkraft der Arme separat von der Berechnung der Modellberechnung durchgeführt wird, werden keine komplizierten Berechnungen für die Wechselwirkung benötigt, wodurch das Rechenvolumen verringert wird.

Wie oben angegeben, sind die vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 4 derart konfiguriert, dass sie ein System zum Steuern/Regeln der Haltung eines mobilen Roboters auf Beinen(des zweifüßigen laufenden Roboters) aufweisen, welcher wenigstens einen Rumpf (der Rumpf oder Körper 18) und eine Mehrzahl von jeweils mit dem Rumpf verbundenen Gliedern (die Beinglieder 2 und die Armglieder 3) aufweist, umfassend: ein Sollgangart-Vorbestimmungsmittel (der Sollarbeitsmustergenerator) zum Vorbestimmen einer Sollgangart des Roboters, einschließlich wenigstens eines Bewegungsmusters, welches wenigstens eine Solltrajektorie des Rumpfs des Roboters, eine Solltrajektorie der auf den Roboter wirkenden Bodenreaktionskraft sowie eine Solltrajektorie einer auf den Roboter wirkenden äußeren Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist, enthält; ein Außenkraft-Erfassungsmittel (der Kraftsensor 58) zum Erfassen der äußeren Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist; ein Außenkraftdifferenz-Bestimmungsmittel (die Objektreaktionskraft-Gleichgewichtssteuer-/-regeleinrichtung, genauer gesagt, die Koordinatenumwandlung der tatsächlichern Objektreaktionskraft und die in 8 gezeigten Eingaben und Ausgaben derselben) zum Bestimmen einer/eines Außenkraftdifferenz oder -fehlers zwischen der erfassten äußeren Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist, und der äußeren Kraft der Solltrajektorie (d.h. die/der Momentdifferenz oder -fehler der Objektreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt); ein Modell (das dynamische Störmodell), welches eine Beziehung zwischen einer Störung der Bodenreaktionskraft und einer Störung einer Position des Schwerpunkts und/oder einer Position des Rumpfs des Roboters ausdrückt; ein Modelleingabebetrag-Bestimmungsmittel (die Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung und die nachgeschaltete Addiereinrichtung) zum Bestimmen eines dem Modell einzugebenden Modelleingabebetrags (des Störbetrags des Sollgesamtbodenreaktionskraftmoments) auf Grundlage wenigstens der/des bestimmten Außenkraftdifferenz oder -fehlers; ein Sollrumpftrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel (die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung, genauer gesagt, der Abschnitt, welcher den Eingabebetrag des dynamischen Störmodells eingibt, das Modellverhalten berechnet und den Störbetrag der Sollrumpfposition/-haltung (den Korrekturbetrag) bestimmt), um die Eingabe des Modelleingabebetrags in das Modell zu bewirken und um auf Grundlage eines Störbetrags der Position des Schwerpunkt und/oder der Position des Rumpfs, welcher daraus erhalten wird, einen Sollrumpftrajektorien-Korrekturbetrag zu bestimmen, welcher die Solltrajektorie des Rumpfs (die korrigierte Sollrumpfposition/-haltung) korrigiert; ein Sollbodenreaktionskraft-Trajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel (die Modell-Steuer-/Regelgesetz-Berechnungseinrichtung, genauer gesagt ein Abschnitt des Modell-Steuer-/Regelgesetzes) zum Bestimmen eines Sollbodenreaktionskraft-Trajektorien-Korrekturbetrags, welcher die Solltrajektorie der Bodenreaktionskraft korrigiert (das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichtssteuerung/-regelung), und zwar auf Grundlage wenigstens des bestimmten Modelleingabebetrags, sowie ein Gelenkverstellmittel (Hauptbeinsteuer-/-regeleinrichtung, Betätiger-Ansteuerungseinrichtung 88, Beinbetätiger usw.) zum Verstellen von Gelenken des Roboters auf Grundlage wenigstens des bestimmten Sollrumpftrajektorien-Korrekturbetrags und des Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrags.

In dem System ist konfiguriert, dass das Modelleingabebetrag-Bestimmungsmittel enthält: ein Gleichgewichtsschwerpunktposition-Störbetrag-Bestimmungsmittel (die Störbetrag-Berechnungseinrichtung für die endgültige Sollschwerpunktsposition) zum Bestimmen eines Störbetrags einer Gleichgewichtsposition des Schwerpunkts, bei welcher die äußere Kraft statisch ausgeglichen ist, und dass das Modelleingabebetrag-Bestimmungsmittel den Modelleingabebetrag derart bestimmt, dass das Modell zu dem Störbetrag der Gleichgewichtsposition des Schwerpunkts hin konvergiert.

In dem System ist konfiguriert, dass das Modell ein solches Modell (das dynamische Störmodell) ist, welches den Roboter durch ein umgekehrtes Pendel annähert.

In dem System ist konfiguriert, dass das Gleichgewichtsschwerpunktposition-Störbetrag-Bestimmungsmittel enthält: einen Begrenzer (die Begrenzer 200, 400), welcher den bestimmten Störbetrag der Gleichgewichtsposition des Schwerpunkts innerhalb eines vorbestimmten Bereichs begrenzt.

In dem System ist konfiguriert, dass das Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel enthält: einen Begrenzer (die Begrenzer 300, 500), welcher den bestimmten Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag innerhalb eines vorbestimmten Bereichs begrenzt.

In dem System ist konfiguriert, dass die Solltrajektorie der Bodenreaktionskraft wenigstens eine Solltrajektorie eines Mittelpunkts der auf den Roboter wirkenden Bodenreaktionskraft enthält.

In dem System ist konfiguriert, dass das Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel den Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag derart bestimmt, dass der Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag (das Kompensationsmoment der Gesamtbodenreaktionskraft für die Objektreaktionskraft-Gleichgewichtssteuerung/-regelung) gleich einer Differenz oder einem Fehler ist, welche/welcher durch Subtrahieren der/des Außenkraftdifferenz oder -fehlers (der/des Momentdifferenz oder -fehlers der Objektreaktionskraft um den Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt) von dem Modelleingabebetrag (dem Störbetrag des Sollgesamtbodenreaktionskraftmoments für das Modell) erhalten wird.

In dem System ist konfiguriert, dass die externe Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist, eine Reaktionskraft ist, welche von einem Objekt (dem Wagen 100) durch die Glieder auf den Roboter wirkt.

In dem System ist konfiguriert, dass der Roboter ein mobiler Roboter auf Beinen ist, welcher zwei Beinglieder und zwei Armglieder aufweist, die jeweils mit dem Rumpf verbunden sind.

Die vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 4 sind ferner so konfiguriert, dass sie ein System zum Steuern/Regeln einer Haltung eines mobilen Roboters auf Beinen aufweist, welcher wenigstens einen Rumpf (den Rumpf oder Körper 28) und eine Mehrzahl von jeweils mit dem Rumpf verbundenen Gliedern (die Beinglieder 2 und die Armglieder 3) aufweist, umfassend: ein Sollgangart-Vorbestimmungsmittel (der Sollarbeitsmustergenerator) zum Vorbestimmen einer Sollgangart des Roboters, einschließlich wenigstens eines Bewegungsmusters, welches wenigstens einer Sollposition des Rumpfs des Roboters und eine Trajektorie eines Sollmittelpunkts der auf den Roboter wirkenden Bodenreaktionskraft enthält, ein Objektreaktionskraft-Erfassungsmittel (der Kraftsensor 58) zum Erfassen einer Objektreaktionskraft, welche von einem Objekt durch die Glieder auf den Roboter wirkt; ein Objektreaktionskraftmoment-Umwandlungsmittel (die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung) zum Umwandeln oder Transformieren der erfassten Objektreaktionskraft in ein Moment um den Sollmittelpunkt der Bodenreaktionskraft; ein Roboterpositions-/-haltungs-Korrekturmittel (die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung) zum Korrigieren des Moments der Bodenreaktionskraft um den Sollmittelpunkt der Bodenreaktionskraft und einer Position und einer Haltung des Roboters, um das umgewandelte Moment der Objektreaktionskraft dynamisch auszugleichen, und ein Gelenkverstellmittel (Hauptbeinsteuer-/-regeleinrichtung, Betätiger-Ansteuerungseinrichtung 88, Beinbetätiger usw.) zum Verstellen von Gelenken des Roboters auf Grundlage des korrigierten Moments der Bodenreaktionskraft um den Sollmittelpunkt der Bodenreaktionskraft und der korrigierten Position und Haltung des Roboters.

Die vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 4 sind ferner so konfiguriert, dass sie ein System zum Steuern/Regeln der Haltung eines mobilen Roboters auf Beinen aufweist, welcher wenigstens einen Rumpf (den Rumpf oder Körper 28) und eine Mehrzahl von jeweils mit dem Rumpf verbundenen Gliedern (die Beinglieder 2 und die Armglieder 3) aufweist, umfassend: ein Sollgangart-Vorbestimmungsmittel (der Sollarbeitsmustergenerator) zum Vorbestimmen eines Bewegungsmusters, einschließlich wenigstens einer Sollposition des Rumpfs des Roboters, ein Objektreaktionskraft-Erfassungsmittel (der Kraftsensor 58) zum Erfassen einer Objektreaktionskraft, welche von einem Objekt durch die Glieder auf den Roboter wirkt; ein Objektreaktionskraftmoment-Umwandlungsmittel (die Objektreaktionskraft-Gleichgewichts-Steuer-/Regeleinrichtung) zum Umwandeln der erfassten Objektreaktionskraft in ein Moment um einen vorbestimmten Punkt (genauer gesagt, das Moment um den Sollbodenreaktionskraft-Mittelpunkt); ein Roboterpositions-/-haltungs-Korrekturmittel (die Objektreaktionskraft-Gleichgewichtssteuer-/-regeleinrichtung) zum Korrigieren eines Moments einer Bodenreaktionskraft um den vorbestimmten Punkt und einer Position und/oder Haltung des Roboters, um das umgewandelte Moment dynamisch auszugleichen; sowie Gelenkverstellmittel (Hauptbeinsteuer-/-regeleinrichtung, Betätiger-Ansteuerungseinrichtung 88, Beinbetätiger usw.) zum Verstellen der Gelenke des Roboters auf Grundlage des korrigierten Moments der Bodenreaktionskraft um den vorbestimmten Punkt der Bodenreaktionskraft und der korrigierten Position und/oder Haltung des Roboters.

In den vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 4 wird kein Betätiger zum Biegen oder Drehen des Rumpfglieds bereitgestellt. Wird eine solche Rumpfbetätigungseinrichtung hinzugefügt, so wird es notwendig sein, ein Steuer-/Regelsystem für die Rumpfbetätigungseinrichtung bereitzustellen. Da das Beugen oder Drehen des Rumpfglieds äquivalent dazu ist, dass zusätzliche Gelenke an den Verbindungspunkten bereitgestellt werden, wo die Arme oder Beine mit dem Rumpf verbunden sind, wird die Betätigungseinrichtung als eine Art der Arm- oder Beinbetätigungseinrichtung angesehen. Daher kann die Rumpfbetätigungseinrichtung als ein Teil der Hauptarm-Steuer-/Regeleinrichtung oder der Hauptbein-Steuer-/Regeleinrichtung behandelt werden.

Obwohl in den vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 4 die in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Hei 5(1993)-305586 vorgeschlagene Befolgungs-Steuerung/Regelung (engl: compliance control) verwendet wird, so ist es alternativ möglich, irgendwelche andere Steuer-/Regeltechniken zu verwenden. Wenn die Gelenkdrehmomente unter Verwendung der Technik zur Steuerung/Regelung der elektrischen Betätigungseinrichtungen mit Verstärkern vom Stromanweisungstyp gesteuert/geregelt werden, so dass die Bodenreaktionskraft indirekt gesteuert/geregelt wird, so ist der an den Füßen 22R(L) bereitgestellte Kraftsensor 56 nicht mehr notwendig.

In den vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 4 ist es alternativ möglich, anstelle des an den jeweiligen Händen bereitgestellten Kraftsensors eine Schätzeinrichtung bereitzustellen, welche die tatsächliche Objektreaktionskraft aus dem Gelenkdrehmoment abschätzt. Als Schätzeinrichtung kann eine bekannte Störungsbeobachtungseinrichtung verwendet werden.

In den vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 4 ist es darüber hinaus alternativ möglich, die durch die Anmelderin in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Hei 5(1993)-337849 vorgeschlagene Steuerung/Regelung zusätzlich zu der durch die Anmelderin in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Hei 5(1993)-305586 vorgeschlagenen Befolgungs-Steuerung/Regelung zu verwenden. Da jedoch die Rumpfposition oder der Gang durch die zusätzliche Steuerung/Regelung korrigiert wird, wird es notwendig, den Einfluss der korrigierten Rumpfposition oder des Gangs mit zu berücksichtigen, wenn die Relativbeziehung zwischen der Roboterhand und dem Objekt beachtlich ist.

In den vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 4 ist es ferner alternativ möglich, die durch die Anmelderin in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 5(1993)-318840 bereitgestellte Technik einzusetzen, einen nahezu flachen Boden anzunehmen, so dass der Sollgesamtbodenreaktionskraft-Mittelpunkt oder der Soll-ZMP auf diesem nahezu flachen Boden ermittelt werden, wenn der Boden nicht flach ist.

Wenn in den vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 4 ferner die Haltung des Roboters von der Sollhaltung abweicht und kippt, so weicht im absoluten Raum die Position und/oder die Haltung der Hand ebenfalls von dem Sollwert ab. Im Ergebnis kann die Objektreaktionskraft manchmal stark von der Sollobjektreaktionskraft abweichen.

Um dieses Problem zu lösen, ist es eher bevorzugt, die erwähnte endgültige Sollhandposition/-haltung auf Grundlage der Differenz oder des Fehlers zwischen der durch den Neigungssensor erfassten tatsächlichen Rumpfposition/-haltung und der Sollrumpfposition/-haltung weiter zu korrigieren, so dass die Hände im absoluten Raum sich selbst dann nicht außerhalb der Sollposition/-haltung befinden, wenn der Roboter kippt.

In den Ausführungsformen 1 bis 4 ist es möglich, die illustrierten Blockdiagramme beispielsweise durch Verändern der Rechenabfolge zu modifizieren.

Wenngleich in den Ausführungsformen 1 bis 4 die PD-Steuer-/Regelgesetze verwendet werden, so ist es alternativ möglich, irgendwelche andere Steuer-/Regelgesetze zu verwenden, wie etwa die in der PID-Steuerung/Regelung oder Zustandrückkopplungs-Steuer-/Regelgesetze.

Wenngleich die vorliegende Erfindung in den vorstehenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf einen zweifüßigen Roboter beschrieben wurde, so kann die vorliegende Erfindung auf andere mobile Roboter auf Beinen angewendet werden.

INDUSTRIEGEBIET, AUF WELCHEM DIE ERFINDUNG ANWENDBAR IST

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, den mobilen Roboter auf Beinen derart zu steuern/zu regeln, dass er die dynamische Balance zur Beibehaltung einer stabilen Haltung selbst dann behält, wenn der Roboter einer unerwarteten äußeren Kraft, speziell einer unerwarteten Reaktionskraft von einem Objekt ausgesetzt ist. Ferner wird es möglich, den mobilen Roboter auf Beinen derart zu steuern/zu regeln, dass er die dynamische Balance zur Aufrechterhaltung einer stabilen Haltung beibehält, wenn der Roboter nicht nur der Schwerkraft und der durch die Arme erzeugten Trägheitskraft, wenn der Roboter zum Bewegen des Arms (insbesondere der Arme nach Maßgabe eines unerwarteten Bewegungsmusters) gesteuert/geregelt wird, sondern auch einer unerwarteten Reaktionskraft von einem Objekt ausgesetzt ist.

Ferner wird es selbst dann, wenn die Objektreaktionskraft sich abrupt ändert, möglich zu verhindern, dass der mobile Roboter auf Beinen kippt oder umfällt, indem die Position des Schwerpunkts des Roboters zu einer Position hin verlagert wird, bei welcher die Balance statisch erreicht ist. Es wird außerdem möglich, die dynamische Balance durch Variieren der Position des Schwerpunkts des Roboters oder der Bodenreaktionskraft selbst während Übergängen, während denen die Verlagerung des Schwerpunkts im Verlauf ist, korrekt beizubehalten.


Anspruch[de]
  1. System zum Steuern/Regeln der Haltung eines mobilen Roboters (1) auf Beinen, welcher wenigstens einen Rumpf (28) und eine Mehrzahl von jeweils mit dem Rumpf verbundenen Gliedern (2, 3) aufweist, umfassend:

    ein Sollgangart-Vorbestimmungsmittel (80) zum Vorbestimmen einer Sollgangart des Roboters, einschließlich wenigstens eines Bewegungsmusters, welches wenigstens eine Solltrajektorie des Rumpfs des Roboters und eine Solltrajektorie der auf den Roboter wirkenden Bodenreaktionskraft enthält, und

    ein Modell (80), welches eine Beziehung zwischen einer Störung der Bodenreaktionskraft und einer Störung einer Position des Schwerpunkts und/oder einer Position des Rumpfs des Roboters ausdrückt;

    dadurch gekennzeichnet,

    dass das Sollgangart-Vorbestimmungsmittel (80) eine Solltrajektorie einer auf den Roboter wirkenden externen Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist, vorbestimmt und dass das System ferner umfasst:

    ein Außenkraft-Erfassungsmittel (58) zum Erfassen der äußeren Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist;

    ein Außenkraftdifferenz-Bestimmungsmittel (80) zum Bestimmen einer Außenkraftdifferenz zwischen der erfassten äußeren Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist, und der äußeren Kraft der Solltrajektorie;

    ein Modelleingabebetrag-Bestimmungsmittel (80) zum Bestimmen eines dem Modell einzugebenden Modelleingabebetrags auf Grundlage wenigstens der bestimmten Außenkraftdifferenz;

    ein Sollrumpftrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel (80) um die Eingabe des Modelleingabebetrags in das Modell zu bewirken und um auf Grundlage eines Störungsbetrags der Position des Schwerpunkts und/oder der Position des Rumpfs, welcher daraus erhalten wird, einen Sollrumpftrajektorien-Korrekturbetrag zu bestimmen, welcher die Solltrajektorie des Rumpfs korrigiert;

    ein Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel (80) zum Bestimmen eines Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrags, welcher die Solltrajektorie der Bodenreaktionskraft korrigiert, und zwar auf Grundlage wenigstens des bestimmten Modelleingabebetrags, sowie

    ein Gelenkverstellmittel (80, 88) zum Verstellen von Gelenken des Roboters auf Grundlage wenigstens des bestimmten Sollrumpftrajektorien-Korrekturbetrags und des Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrags.
  2. System nach Anspruch 1, in welchem das Modelleingabebetrag-Bestimmungsmittel enthält:

    ein Gleichgewichtsschwerpunktposition-Störbetrag-Bestimmungsmittel (80) zum Bestimmen eines Störbetrags einer Gleichgewichtsposition des Schwerpunkts, bei welcher die äußere Kraft statisch ausgeglichen ist,

    und in welchem das Modelleingabebetrag-Bestimmungsmittel den Modelleingabebetrag derart bestimmt, dass das Modell zu dem Störbetrag der Gleichgewichtsposition des Schwerpunkts hin konvergiert.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, in welchem das Modell ein solches Modell ist, das den Roboter durch ein umgekehrtes Pendel annähert.
  4. System nach Anspruch 2 oder 3, in welchem das Gleichgewichtsschwerpunktposition-Störbetrag-Bestimmungsmittel enthält:

    einen Begrenzer (200, 400), welcher den bestimmten Störbetrag der Gleichgewichtsposition des Schwerpunkts innerhalb eines vorbestimmten Bereichs begrenzt.
  5. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, in welchem das Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel enthält:

    einen Begrenzer (300, 500), welcher den bestimmten Bodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag innerhalb eines vorbestimmten Bereichs begrenzt.
  6. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, in welchem die Solltrajektorie der Bodenreaktionskraft wenigstens eine Solltrajektorie eines Mittelpunkts der auf den Roboter wirkenden Bodenreaktionskraft enthält.
  7. System nach Anspruch 6, in welchem das Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag-Bestimmungsmittel den Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag derart bestimmt, dass der Sollbodenreaktionskrafttrajektorien-Korrekturbetrag mit einer Differenz, welche durch Subtrahieren der Außenkraftdifferenz von dem Modelleingabebetrag erhalten wird, hinsichtlich eines Moments um einen Sollmittelpunkt der Bodenreaktionskraft dynamisch ausgeglichen ist.
  8. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, in welchem die externe Kraft, die nicht die Bodenreaktionskraft ist, eine Reaktionskraft ist, welche von einem Objekt (100) durch die Glieder auf den Roboter wirkt.
  9. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, in welchem der Roboter ein mobiler Roboter auf Beinen ist, welcher zwei Beinglieder und zwei Armglieder aufweist, die jeweils mit dem Rumpf verbunden sind.
  10. System zum Steuern/Regeln der Haltung eines mobilen Roboters (1) auf Beinen, welcher wenigstens einen Rumpf (28) und eine Mehrzahl von mit dem Rumpf verbundenen Gliedern (2, 3) aufweist, umfassend:

    ein Sollgangart-Vorbestimmungsmittel (80) zum Vorbestimmen eines Bewegungsmusters, einschließlich wenigstens einer Sollposition des Rumpfs des Roboters,

    dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner umfasst: ein Objektreaktionskraft-Erfassungsmittel (58) zum Erfassen einer Objektreaktionskraft, welche von einem Objekt durch die Glieder auf den Roboter wirkt;

    ein Objektreaktionskraftmoment-Umwandlungsmittel (80) zum Umwandeln der erfassten Objektreaktionskraft in ein Moment um einen vorbestimmten Punkt;

    ein Roboterpositions-/-haltungs-Korrekturmittel (80) zum Korrigieren eines Moments um den vorbestimmten Punkt und einer Position und/oder einer Haltung des Roboters, um das umgewandelte Moment dynamisch auszugleichen, und

    ein Gelenkverstellmittel (80, 88) zum Verstellen von Gelenken des Roboters auf Grundlage des korrigierten Moments der Bodenreaktionskraft um den vorbestimmten Punkt und der korrigierten Position und/oder Haltung des Roboters.
  11. System nach Anspruch 10, in welchem das Sollgangart-Vorbestimmungsmittel (80) eine Sollgangart des Roboters vorbestimmt, einschließlich wenigstens des Bewegungsmusters, welches wenigstens eine Sollposition des Rumpfs des Roboters und eine Trajektorie eines Sollmittelpunkts einer auf den Roboter wirkenden Bodenreaktionskraft enthält;

    das Objektreaktionskraftmoment-Umwandlungsmittel (80) die erfasste Objektreaktionskraft in das Moment um den Sollmittelpunkt der Bodenreaktionskraft umwandelt;

    das Roboterpositions-/-haltungs-Korrekturmittel (80) das Moment der Sollbodenreaktionskraft um den Sollmittelpunkt und/oder die Position und Haltung des Roboters korrigiert, um das umgewandelte Moment der Objektreaktionskraft dynamisch auszugleichen, und das Gelenkverstellmittel (80, 88) die Gelenke des Roboters auf Grundlage des korrigierten Moments um den Sollmittelpunkt und der korrigierten Position und/oder Haltung des Roboters verstellt.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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