CN107351936A - 步行控制方法、记录媒体以及双足步行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够实现稳定的步行动作的步行控制方法、记录媒体以及双足步行机器人。步行控制方法包含以下步骤：在调整了双足步行机器人的重心位置而双足步行机器人以可直立的规定的基准角度步行动作中，取得表示上身部相对于基准角度的倾斜角度的信息；以及在第1腿部及第2腿部的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，根据倾斜角度使第1腿部及第2腿部动作，以便让上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
Description
技术领域
本发明涉及用于控制双足步行机器人的步行动作的步行控制方法、记录步行控制流程的记录媒体以及双足步行机器人。
背景技术
以往，研发模仿人类等双足步行动物的身体机制及动作的双足步行机器人的工作得以推进。
例如，日本专利第3167406号(以下称为专利文献1)公开一种腿式移动机器人的步行控制装置，所述腿式移动机器人包括基体和通过第1关节连接于该基体并分别至少具备第2关节的多根腿部连杆，该腿式移动机器人利用多根腿部连杆交替支撑自重并步行。
以往的该步行控制装置通过配置于各关节的伺服马达对各关节角度进行跟踪控制以达成目标值，其以相对于重力方向的绝对角度来检测基体的倾斜角度及/或倾斜角速度，并将检测值乘以规定的增益所获得的校正量加到游腿侧的腿部连杆的第1关节及/或第2关节的控制值中。
专利文献1的步行控制装置控制游腿使其以与倾斜的大小成比例的步幅朝向倾斜方向迈步。即，专利文献1的步行控制装置不是使躯体部分始终保持垂直，而是通过使游腿在要着地之前迈出与倾斜角度相对应的步幅，从而确保游腿着地之后的稳定性。
对于以往的步行控制装置而言，例如，双足步行机器人在用单脚接触地面的状态下受到外力，并在倾斜的状态下恢复直立状态时，有可能倾斜没有完全恢复还留有倾斜或者倾斜会进一步增大。
发明内容
本发明为了解决上述问题而做，其目的在于提供一种能够实现稳定的步行动作的步行控制方法、记录步行控制流程的记录媒体以及双足步行机器人。
本发明的一方面所涉及的步行控制方法是步行控制装置的步行控制方法，用于控制双足步行机器人的步行动作，该双足步行机器人具备上身部、连接于所述上身部的第1腿部、连接于所述上身部的第2腿部、驱动所述第1腿部的第1驱动部及驱动所述第2腿部的第2驱动部，其中包括以下步骤：调整所述双足步行机器人的重心位置以便所述双足步行机器人能以规定的基准角度直立；在所述双足步行机器人的步行动作中，取得表示所述上身部相对于所述基准角度的倾斜角度的信息；在所述第1腿部及所述第2腿部的任一方为了所述步行动作而没有接触地面的状态下，根据所述倾斜角度使所述第1腿部及所述第2腿部动作，以便让所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内。
根据本发明，在第1腿部及第2腿部的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，将上身部相对于可直立的规定的基准角度维持在规定的角度范围内，因此能够实现稳定的步行动作。
附图说明
图1是表示本实施方式的双足步行机器人的结构的图。
图2是用于说明本实施方式的双足步行机器人在俯仰轴方向的步行控制的模式图。
图3是表示本实施方式中对俯仰轴方向的步行动作进行控制的步行控制装置的结构的图。
图4是用于说明本实施方式中通过步行控制装置实现的俯仰轴方向的步行动作的流程图。
图5是用于说明本实施方式的双足步行机器人在翻滚轴方向的步行控制的模式图。
图6是表示本实施方式中对翻滚轴方向的步行动作进行控制的步行控制装置的结构的图。
图7是用于说明本实施方式中通过步行控制装置实现的翻滚轴方向的步行动作的流程图。
图8是用于说明上身部因外力倾斜时的以往的步行控制的模式图。
图9是用于说明上身部因外力倾斜时的本实施方式的步行控制的模式图。
图10是利用倒立摆对专利文献1的步行控制进行说明的模式图。
图11是利用倒立摆对本实施方式的步行控制进行说明的模式图。
具体实施方式
本发明的基础知识
作为双足步行机器人的平衡控制方法，广为人知的是以力学观点为基础的被称为零力矩点(以下略称ZMP)的平衡控制方法。
当双足步行机器人步行时，来自地球的重力和因步行发生的惯性力作用于双足步行机器人。重力和惯性力的合力的轴与地面的交点因为其合力的力矩为0，故被称为ZMP。此外，作为来自地面的反作用力，地面反力作用于双足步行机器人中着地的脚上。该地面反力作用的点被称为地面反力作用点。当双足步行机器人保持理想的平衡状态步行时，目标ZMP和地面反力作用点相一致。即，通过使目标ZMP和地面反力作用点相一致，能够使双足步行机器人在不失去平衡的状态下稳定地步行。
然而，在采用ZMP的步行控制方法中，利用设置于脚掌的传感器来检测地面反力作用点从而保持平衡，但是在地面不平整、地面存在异物或凹凸的情况下容易变得不稳定。此外，需要始终考虑到目标ZMP来生成步态，然而，在生成步态时，不能唯一地计算出与目标ZMP相一致的轨道，一般通过收敛计算获得近似的轨道，这会造成用于生成步态的计算量增大。而且，由于地面反力作用点是重要因素，并且步态计算较为困难，因此难以跟随快速运动。进一步，也难以应对因上身的任意运动带来的重心位置的变化，遇到快速运动时容易失去平衡。
此外，如上所述，专利文献1的步行控制装置控制游腿使其以与倾斜的大小成比例的步幅朝向倾斜方向迈步。即，专利文献1的步行控制装置不是使躯体部分始终保持垂直，而是通过使游腿在要着地之前迈出与倾斜角度相对应的步幅，从而确保游腿着地之后的稳定性。
对于以往的步行控制装置而言，例如，双足步行机器人在用单脚接触地面的状态下受到外力，并在倾斜的状态下恢复直立状态时，有可能倾斜没有完全恢复还留有倾斜或者倾斜会进一步增大。
为了解决上述问题，本发明的一种实施方式所涉及的步行控制方法是步行控制装置的步行控制方法，用于控制双足步行机器人的步行动作，该双足步行机器人具备上身部、连接于所述上身部的第1腿部、连接于所述上身部的第2腿部、驱动所述第1腿部的第1驱动部及驱动所述第2腿部的第2驱动部，其中包括以下步骤：调整所述双足步行机器人的重心位置以便所述双足步行机器人能以规定的基准角度直立；在所述双足步行机器人的步行动作中，取得表示所述上身部相对于所述基准角度的倾斜角度的信息；在所述第1腿部及所述第2腿部的任一方为了所述步行动作而没有接触地面的状态下，根据所述倾斜角度使所述第1腿部及所述第2腿部动作，以便让所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内。
根据上述结构，调整双足步行机器人的重心位置以便双足步行机器人能以规定的基准角度直立。在双足步行机器人的步行动作中，取得表示上身部相对于基准角度的倾斜角度的信息。在第1腿部及第2腿部的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，根据倾斜角度使第1腿部及第2腿部动作，以便让上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
因此，在第1腿部及第2腿部的任一方为了步行动而没有接触地面的状态下，将上身部相对于可直立的规定的基准角度维持在规定的角度范围内，因此能够实现稳定的步行动作。
此外，在上述步行控制方法中，也可以是：当使所述第1腿部及所述第2腿部动作以便让所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内时，基于所述倾斜角度生成第1校正信号，该第1校正信号用于校正将所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内时的所述第1腿部及所述第2腿部的各自的动作；基于所述第1校正信号校正用于使所述第1腿部及所述第2腿部进行步行动作的控制信号，并将校正后的所述控制信号分别输出到所述第1驱动部及所述第2驱动部。
根据上述结构，当使第1腿部及第2腿部动作以便让上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内时，基于倾斜角度生成第1校正信号，该第1校正信号用于校正将上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内时的第1腿部及第2腿部的各自的动作。基于第1校正信号校正用于使第1腿部及第2腿部进行步行动作的控制信号。校正后的控制信号分别输出到第1驱动部及第2驱动部。
因此，通过根据第1校正信号校正用于使第1腿部及第2腿部进行步行动作的控制信号，能够将上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
此外，在上述步行控制方法中，也可以通过将第1校正量加到累计校正量来生成所述第1校正信号，其中，所述第1校正量是根据所述倾斜角度为了将所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内所计算出的校正量，所述累计校正量是到计算出所述第1校正量为止累计的校正量。
根据上述结构，通过将第1校正量加到累计校正量来生成所述第1校正信号，其中，所述第1校正量是根据倾斜角度为了将上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内所计算出的校正量，所述累计校正量是到计算出第1校正量为止累计的校正量。
因此，由于将与上身部的倾斜角度对应的第1校正量累计到累计校正量来生成第1校正信号，能够保持双足步行机器人的稳定点，实现稳定的平衡控制。
此外，在上述步行控制方法中，也可以根据以规定时刻的所述倾斜角度为变量的第1函数来计算所述第1校正量。
根据上述结构，利用第1函数，能够容易地计算出对应于上身部的倾斜角度的第1校正量。
此外，在上述步行控制方法中，也可以生成用于使所述第1腿部及所述第2腿部中的支撑腿进行步行动作的第1控制信号；生成用于使所述第1腿部及所述第2腿部中的游腿进行步行动作的第2控制信号；生成将所述第1控制信号和所述第1校正信号合成的第3控制信号，并将该第3控制信号输出到所述第1腿部及所述第2腿部之中成为支撑腿的一方；生成将所述第2控制信号和所述第1校正信号合成的第4控制信号，并将该第4控制信号输出到所述第1腿部及所述第2腿部之中成为游腿的那一方。
根据上述结构，生成用于使第1腿部及第2腿部中的支撑腿进行步行动作的第1控制信号；生成用于使第1腿部及第2腿部中的游腿进行步行动作的第2控制信号；生成将第1控制信号和第1校正信号合成的第3控制信号，并将该第3控制信号输出到第1腿部及第2腿部之中成为支撑腿的一方；生成将第2控制信号和第1校正信号合成的第4控制信号，并将该第4控制信号输出到第1腿部及第2腿部之中成为游腿的那一方。
因此，以将上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内的方式，能够使第1腿部及第2腿部之中成为支撑腿的一方和第1腿部及第2腿部之中成为游腿的那一方进行动作。
此外，在上述步行控制方法中，也可以根据所述双足步行机器人的前后方向的倾斜角度计算所述第1校正量及所述累计校正量；所述第1控制信号包含第1前后方向控制信号，该第1前后方向控制信号是在所述双足步行机器人的步行动作中，用于使所述第1腿部及所述第2腿部之中的支撑腿向前后方向旋转驱动的信号；所述第2控制信号包含第2前后方向控制信号，该第2前后方向控制信号是在所述双足步行机器人的步行动作中，用于使所述第1腿部及所述第2腿部之中的游腿向前后方向旋转驱动的信号；通过将所述第1校正信号加在所述第1前后方向控制信号，生成所述第3控制信号；通过从所述第2前后方向控制信号减去所述第1校正信号，生成所述第4控制信号。
采用上述结构，根据双足步行机器人的前后方向的倾斜角度计算第1校正量及累计校正量。第1控制信号包含第1前后方向控制信号，该第1前后方向控制信号是在双足步行机器人的步行动作中，用于使第1腿部及第2腿部之中的支撑腿向前后方向旋转驱动的信号。第2控制信号包含第2前后方向控制信号，该第2前后方向控制信号是在双足步行机器人的步行动作中，用于使第1腿部及第2腿部之中的游腿向前后方向旋转驱动的信号。通过将第1校正信号加在第1前后方向控制信号，生成第3控制信号。另外，通过从第2前后方向控制信号减去第1校正信号，生成第4控制信号。
因此，由于根据双足步行机器人的前后方向的倾斜角度计算第1校正量及累计校正量，能够使第1腿部及第2腿部向前后方向驱动，将上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
此外，在上述步行控制方法中，也可以判断基于所述第3控制信号的所述第1腿部或所述第2腿部的第1驱动量是否超过第1阈值；判断基于所述第4控制信号的所述第1腿部或所述第2腿部的第2驱动量是否超过所述第1阈值；当判断为所述第1驱动量超过所述第1阈值时，将所述第1驱动量变更为所述第1阈值；当判断为所述第2驱动量超过所述第1阈值时，将所述第2驱动量变更为所述第1阈值。
根据上述结构，判断基于第3控制信号的第1腿部或第2腿部的第1驱动量是否超过第1阈值；判断基于第4控制信号的第1腿部或第2腿部的第2驱动量是否超过第1阈值；在被判断为第1驱动量超过第1阈值的情况下，将第1驱动量变更为第1阈值。此外，在被判断为第2驱动量超过第1阈值的情况下，将第2驱动量变更为第1阈值。
因此，可以控制为相对于支撑腿的第1驱动量和相对于游腿的第2驱动量都不会超过可驱动的第1阈值。
此外，在上述步行控制方法中，也可以是：当所述双足步行机器人被所述第1腿部及所述第2腿部支撑时，不计算所述第1校正量。
根据上述结构，当双足步行机器人被第1腿部及第2腿部支撑时，不计算第1校正，因此可以防止第1校正量与累计校正量相加所引起的步幅的变化。
此外，在上述步行控制方法中，也可以根据所述双足步行机器人的左右方向的倾斜角度计算所述第1校正量及所述累计校正量；所述第1控制信号包含第1左右方向控制信号，该第1左右方向控制信号是在所述双足步行机器人的步行动作中，用于使所述第1腿部及所述第2腿部之中的支撑腿向左右方向旋转驱动的信号；所述第2控制信号包含第2左右方向控制信号，该第2左右方向控制信号是在所述双足步行机器人的步行动作中，用于使所述第1腿部及所述第2腿部之中的游腿向左右方向旋转驱动的信号；通过将所述第1校正信号加在所述第1左右方向控制信号，生成所述第3控制信号；通过将所述第1校正信号乘以规定的系数而得的第2校正信号与所述第2左右方向控制信号相加，从而生成所述第4控制信号。
采用上述结构，根据双足步行机器人的左右方向的倾斜角度计算第1校正量及累计校正量。第1控制信号包含第1左右方向控制信号，该第1左右方向控制信号是在双足步行机器人的步行动作中，用于使第1腿部及第2腿部之中的支撑腿向左右方向旋转驱动的信号。第2控制信号包含第2左右方向控制信号，该第2左右方向控制信号是在双足步行机器人的步行动作中，用于使第1腿部及第2腿部之中的游腿向左右方向旋转驱动的信号。通过将第1校正信号加在第1左右方向控制信号，生成第3控制信号。此外，通过将第1校正信号乘以规定的系数而得的第2校正信号与第2左右方向控制信号相加，从而生成第4控制信号。
因此，由于根据双足步行机器人的左右方向的倾斜角度计算第1校正量及累计校正量，能够使第1腿部及第2腿部向左右方向驱动，将上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
此外，在上述步行控制方法中，也可以判断基于所述第3控制信号的所述第1腿部或所述第2腿部的第1驱动量是否超过所述第1腿部及所述第2腿部相互干扰的第2阈值；判断基于所述第4控制信号的所述第1腿部或所述第2腿部的第2驱动量是否超过所述第2阈值；当判断为所述第1驱动量超过所述第2阈值时，将所述第1驱动量变更为比所述第2阈值少的规定值；当判断为所述第2驱动量超过所述第2阈值时，将所述第2驱动量变更为比所述第2阈值少的规定值。
根据上述结构，判断基于第3控制信号的第1腿部或第2腿部的第1驱动量是否超过第1腿部及第2腿部相互干扰的第2阈值；判断基于第4控制信号的第1腿部或第2腿部的第2驱动量是否超过第2阈值。当判断为第1驱动量超过第2阈值时，将第1驱动量变更为比第2阈值少的规定值。此外，当判断为第2驱动量超过第2阈值时，将第2驱动量变更为比第2阈值少的规定值。
因此，可以控制为相对于支撑腿的第1驱动量和相对于游腿的第2驱动量都不会超过可驱动的第2阈值。
此外，在上述步行控制方法中，也可以是：当表示所述双足步行机器人步行的步行面的凹凸的值为规定值以下时，将所述规定的系数设为正值。
根据上述结构，通过将与第1校正信号相乘的规定的系数设为正值，能够在凹凸较少的步行面上稳定地步行。
此外，在上述步行控制方法中，也可以是：当表示所述双足步行机器人步行的步行面的凹凸的值大于规定值时，将所述规定的系数设为负值。
根据上述结构，通过将与第1校正信号相乘的规定的系数设为负值，能够在有凹凸的步行面上稳定地步行。
此外，在上述步行控制方法中，也可以是：当检测出所述上身部相对于所述第1腿部及所述第2腿部呈大致平行的直立状态时，将所述累计校正量清除为零，再次生成所述第1控制信号及所述第2控制信号。
根据上述结构，当检测出上身部相对于第1腿部及第2腿部呈大致平行的直立状态时，将累计校正量清除为零。并且，再次生成第1控制信号及第2控制信号。
因此，即使振动周期因为外力暂时发生变化，也能跟随变化的振动周期，可以平稳地继续进行横向的重心移动。
此外，在上述步行控制方法中，也可以存储通过将所述第1校正信号与所述第1控制信号及所述第2控制信合成而发生的所述第1腿部及所述第2腿部的步幅的变化量；将所存储的所述变化量与所述第1控制信号及所述第2控制信号相加；使所存储的所述变化量随着时间的推移减少最后成为零。
根据上述结构，存储通过将第1校正信号与第1控制信号及第2控制信合成而发生的第1腿部及第2腿部的步幅的变化量，将所存储的所述变化量与第1控制信号及第2控制信号相加。因此，当将所存储的累计校正量清除为零时，可以防止步幅发生急剧的变化。此外，所存储的变化量随着时间的推移减少，最后成为零。因此，可以恢复到以第1控制信号及第2控制信号为基准的步幅。
本发明的另一方面所涉及的记录步行控制流程的记录媒体，其中，步行控制流程用于控制双足步行机器人的步行动作，该双足步行机器人具备上身部、连接于所述上身部的第1腿部、连接于所述上身部的第2腿部、驱动所述第1腿部的第1驱动部及驱动所述第2腿部的第2驱动部，该步行控制流程包括：调整所述双足步行机器人的重心位置，以便使所述双足步行机器人可以规定的基准角度直立；；在所述双足步行机器人的步行动作中取得表示所述上身部相对于所述基准角度的倾斜角度的信息；在所述第1腿部及所述第2腿部的任一方为了所述步行动作而没有接触地面的状态下，根据所述倾斜角度使所述第1腿部及所述第2腿部动作，以便让所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内。
根据上述结构，以可使双足步行机器人直立的规定的基准角度对该双足步行机器人的重心位置进行调整。在双足步行机器人的步行动作中，取得表示上身部相对于基准角度的倾斜角度的信息。在第1腿部及第2腿部的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，根据倾斜角度使第1腿部及第2腿部动作，以便让上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
因此，在第1腿部及第2腿部的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，将上身部相对于可直立的规定的基准角度维持在规定的角度范围内，因此能够实现稳定的步行动作。
本发明的其它实施方式所涉及的双足步行机器人包括：上身部；连接于所述上身部的第1腿部；连接于所述上身部的第2腿部；驱动所述第1腿部的第1驱动部；驱动所述第2腿部的第2驱动部；取得部，在调整了双足步行机器人的重心位置而双足步行机器人以可直立的规定的基准角度步行动作中，取得表示所述上身部相对于所述基准角度的倾斜角度的信息；以及控制部，在所述第1腿部及所述第2腿部的任一方为了所述步行动作而没有接触地面的状态下，根据所述倾斜角度使所述第1腿部及所述第2腿部动作，以便让所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内。
根据上述结构，在调整了双足步行机器人的重心位置而双足步行机器人以可直立的规定的基准角度步行动作中，取得表示上身部相对于基准角度的倾斜角度的信息。在第1腿部及第2腿部的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，根据倾斜角度使第1腿部及第2腿部动作，以便让上身部相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
因此，在第1腿部及第2腿部的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，将上身部相对于可直立的规定的基准角度维持在规定的角度范围内，因此能够实现稳定的步行动作。
下面，参照附图说明本发明的实施方式。以下的实施方式是将本发明具体化的一种例子，并不用于限定本发明的技术范围。
在上述的采用ZMP的步行控制方法中，通过脚掌传感器对地面反力作用点进行检测对保持平衡极为重要。然而，在人的双足步行中，与地面反力作用点相比，姿势反射、特别是前庭脊髓反射中的紧张性迷路反射或强直性颈部反射等不经意的反射对步行时的保持平衡发挥重要的作用。在不经意的姿势反射中，当身体倾斜时，通过使倾斜侧的腿伸长，并使相反侧的腿弯曲，从而恢复姿势。为了实现如生物一般的灵活的平衡控制，这种机制极为重要。通常，失去平衡跌倒的状态也可以说是上身部大幅度倾斜的状态。因此，如果可以将上身部始终保持垂直状态，就不会跌倒。
于是，在本实施方式中，在步行时上身部发生倾斜的情况下进行如下控制，即，通过将对应于倾斜角度的校正量实时地叠加在髋关节致动器，可以将上身部的倾斜校正为垂直，从而上身部始终保持垂直状态。
图1是表示本实施方式的双足步行机器人的结构的图。图1所示的双足步行机器人1包括上身部2、第1腿部3、第2腿部6、步行控制装置10、倾斜角度检测部11、第1俯仰(pitch)轴致动器12、第2俯仰轴致动器13、第1翻滚(roll)轴致动器14及第2翻滚轴致动器15。
上身部2模仿人的上身(躯体)。第1腿部3模仿人的一方的腿，其连接于上身部2。第2腿部6模仿人的另一方的腿，其连接于上身部2。
第1俯仰轴致动器12、第2俯仰轴致动器13、第1翻滚轴致动器14及第2翻滚轴致动器15设置于将上身部2与第1腿部3及第2腿部6相连接的髋关节。另外，双足步行机器人1不仅具有髋关节，还具有膝关节及踝关节等，但是这些关节与本实施方式的步行动作无关，因此省略其说明。
第1俯仰轴致动器12绕俯仰轴旋转驱动第1腿部3。第2俯仰轴致动器13绕俯仰轴旋转驱动第2腿部6。
第1翻滚轴致动器14绕翻滚轴旋转驱动第1腿部3。第2翻滚轴致动器15绕翻滚轴旋转驱动第2腿部6。
例如，倾斜角度检测部11是三轴陀螺仪，检测上身部2在俯仰轴方向的倾斜角度及上身部2在翻滚轴方向的倾斜角度。
步行控制装置10控制双足步行机器人1的步行动作。双足步行机器人1的重心位置被调整成可使双足步行机器人1以规定的基准角度直立。步行控制装置10，根据由倾斜角度检测部11检测出的上身部2在俯仰轴方向的倾斜角度来使第1腿部3及第2腿部6动作，以使上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
首先，说明对本实施方式的俯仰轴方向(前后方向)的步行动作进行控制的步行控制装置。
图2是用于说明本实施方式的双足步行机器人在俯仰轴方向的步行控制的模式图。在图2中，从侧面观察双足步行机器人1。在图2中，上身部2和第1腿部3通过髋关节7相连接，上身部2和第2腿部6通过髋关节8相连接，在髋关节7及髋关节8分别设有绕俯仰轴旋转驱动的致动器。例如，第1腿部3是步行时接触地面的支撑腿，第2腿部6是步行时没有接触地面的游腿。
在此，通过致动器实现的髋关节7、8的角度变更与上身部2相对于重力方向的倾斜角度的变化相配合。
通常，致动器以10ms左右的时间间隔进行控制。在某时刻t，当上身部2相对于垂直线5的俯仰轴方向的倾斜角度为δθx，基本步行动作的支撑腿侧的俯仰轴髋关节角度为θ0t-1时，通过将时刻t的基本步行动作的控制量θ0t加在值Ixt上，从而计算被更新的支撑腿侧的俯仰轴髋关节角度A0t(A0t＝θ0t+Ixt)，其中，所述值Ixt是将倾斜校正量αδθx(α为系数)加在直到上次为止的累计值Ixt-1上的值(＝Ixt-1+αδθx)。
此外，也可以通过与支撑腿侧的俯仰轴髋关节角度A0t同样的处理来计算游腿侧的俯仰轴髋关节角度A1t，但是值Ixt的符号成为相反。因此，通过从时刻t的基本步行动作的控制量θ1t减去值Ixt来计算被更新的游腿侧的俯仰轴髋关节角度A1t(A1t＝θ1t-Ixt)，其中，所述值Ixt是将倾斜校正量αδθx(α为系数)加在直到上次为止的累计值Ixt-1上的值(＝Ixt-1+αδθx)。
用于使倾斜角度δθx最小化的校正方法相当于PID(Proportional-Integral-Differential，比例-积分-微分)控制的积分项，Ixt＝Ixt-1+αδθx对应于积分项。专利文献1的技术采用PID控制的比例项。
接着，说明对本实施方式的俯仰轴方向的步行动作进行控制的步行控制装置。
图3是表示本实施方式中对俯仰轴方向的步行动作进行控制的步行控制装置的结构的图。
步行控制装置10具备俯仰轴倾斜角度取得部100及俯仰轴控制部101。
俯仰轴倾斜角度取得部100，在双足步行机器人1的步行动作中取得表示上身部2相对于基准角度的倾斜角度的信息。俯仰轴倾斜角度取得部100取得由倾斜角度检测部11检测出的上身部2在俯仰轴方向的倾斜角度δθx。
在第1腿部3及第2腿部6的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，俯仰轴控制部101根据倾斜角度使第1腿部3及第2腿部6动作，以便让上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内。特别是，在第1腿部3及第2腿部6的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，俯仰轴控制部101根据俯仰轴方向的倾斜角度使第1腿部3及第2腿部6动作，以便让上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
俯仰轴控制部101具备俯仰轴校正量累计部103、存储部104、第1俯仰轴控制信号生成部105、第1合成部106、第2俯仰轴控制信号生成部107及第2合成部108。
俯仰轴校正量累计部103，当使第1腿部3及第2腿部6动作以便让上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内时，基于俯仰轴方向的倾斜角度δθx生成第1俯仰轴校正信号，该第1俯仰轴校正信号用于校正将上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内时的第1腿部3及第2腿部6的各自的动作。俯仰轴校正量累计部103通过将第1校正量加到累计校正量Ix来生成第1俯仰轴校正信号，其中，第1校正量是根据俯仰轴方向的倾斜角度δθx为了将上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内所计算出的校正量，所述累计校正量Ix是到计算出第1校正量为止累计的校正量。其中，根据双足步行机器人1的前后方向(俯仰轴方向)的倾斜角度来计算第1校正量及累计校正量。
俯仰轴校正量累计部103，根据以规定时刻的倾斜角度δθx为变量的第1函数f1(δθx)计算第1校正量。此外，第1函数f1(δθx)也可以是将倾斜角度δθx乘以规定的系数α的函数(αδθx)，还可以是将倾斜角度δθx的正弦函数乘以规定的系数α而得的函数(α·sin(δθx))。
如上所述，第1俯仰轴校正信号可被表示为累计校正量Ix(＝Ix+f1(δθx))。
存储部104用于存储由俯仰轴校正量累计部103计算的累计校正量Ix。
第1俯仰轴控制信号生成部105生成用于使第1腿部3及第2腿部6中的支撑腿进行步行动作的第1俯仰轴控制信号。第1俯仰轴控制信号生成部105生成以角度θ0作为控制量的第1俯仰轴控制信号，所述角度θ0是以髋关节为中心使支撑腿向俯仰轴方向旋转时的角度。
第1合成部106生成将第1俯仰轴控制信号(θ0)和第1俯仰轴校正信号(Ix)合成的第3俯仰轴控制信号(A0)，并将第3俯仰轴控制信号输出到用于驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为支撑腿的一方的支撑腿侧俯仰轴致动器109。第1合成部106通过将第1俯仰轴校正信号加在第1俯仰轴控制信号来生成第3俯仰轴控制信号。
支撑腿侧俯仰轴致动器109是第1俯仰轴致动器12及第2俯仰轴致动器13中的任一个，根据第3俯仰轴控制信号使第1腿部3及第2腿部6之中成为支撑腿的腿部向俯仰轴方向旋转驱动。
第2俯仰轴控制信号生成部107生成用于使第1腿部3及第2腿部6中的游腿进行步行动作的第2俯仰轴控制信号。第2俯仰轴控制信号生成部107生成以角度θ1作为控制量的第2俯仰轴控制信号，所述角度θ1是以髋关节为中心使游腿向俯仰轴方向旋转时的角度。
第2合成部108生成将第2俯仰轴控制信号(θ1)和第1俯仰轴校正信号(Ix)合成的第4俯仰轴控制信号(A1)，并将第4俯仰轴控制信号输出到用于驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为游腿的那一方的游腿侧俯仰轴致动器110。第2合成部108通过从第2俯仰轴控制信号减去第1俯仰轴校正信号来生成第4俯仰轴控制信号。
这样，第1合成部106及第2合成部108根据第1校正信号校正用于使第1腿部3及第2腿部6进行步行动作的第1俯仰轴控制信号及第2俯仰轴控制信号，将校正后的第3俯仰轴控制信号及第4俯仰轴控制信号分别输出到用于驱动第1腿部3的第1俯仰轴致动器12及用于驱动第2腿部6的第2俯仰轴致动器13。
游腿侧俯仰轴致动器110是第1俯仰轴致动器12及第2俯仰轴致动器13中的任一个，根据第4俯仰轴控制信号使第1腿部3及第2腿部6之中成为游腿的腿部向俯仰轴方向旋转驱动。
这样，将与第1俯仰轴控制信号θ0相加的第1俯仰轴校正信号Ix的符号设为正，将与第2俯仰轴控制信号θ1相加的第1俯仰轴校正信号Ix的符号设为负，通过使相加的第1俯仰轴校正信号Ix的符号彼此相反，即使步幅发生变化，也能始终将双足步行机器人1的重心位置维持在步幅的中心。
另外，在双足步行机器人1被第1腿部3及第2腿部6支撑的情况下，第1合成部106及第2合成部108不需计算第1校正量。在此情况下，由于不计算第1校正量，累计校正量固定不变。因此，第1合成部106生成将第1俯仰轴控制信号和存储在存储部104中的表示累计校正量的第1俯仰轴校正信号合成的第3俯仰轴控制信号。此外，第2合成部108生成将第2俯仰轴控制信号和存储在存储部104中的表示累计校正量的第1俯仰轴校正信号合成的第4俯仰轴控制信号。
接着，对本实施方式中通过步行控制装置实现的俯仰轴方向的步行动作进行说明。
图4是用于说明本实施方式中通过步行控制装置实现的俯仰轴方向的步行动作的流程图。
首先，在步骤S1，倾斜角度检测部11检测上身部2相对于垂直线的俯仰轴方向的倾斜角度。
接着，在步骤S2，俯仰轴倾斜角度取得部100取得由倾斜角度检测部11检测出的俯仰轴方向的倾斜角度。
然后，在步骤S3，俯仰轴校正量累计部103通过将第1校正量加到累计校正量来生成第1俯仰轴校正信号，其中，第1校正量是根据所取得的俯仰轴方向的倾斜角度为了将上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内所计算出的校正量，所述累计校正量是到计算出第1校正量为止累计的校正量。俯仰轴校正量累计部103将累计校正量存储在存储部104，并且，将所生成的第1俯仰轴校正信号输出到第1合成部106及第2合成部108。
接着，在步骤S4，第1俯仰轴控制信号生成部105生成用于使第1腿部3及第2腿部6中的支撑腿进行俯仰轴方向的步行动作的第1俯仰轴控制信号。
然后，在步骤S5，第2俯仰轴控制信号生成部107生成用于使第1腿部3及第2腿部6中的游腿进行俯仰轴方向的步行动作的第2俯仰轴控制信号。
接着，在步骤S6，第1合成部106生成将由俯仰轴校正量累计部103生成的第1俯仰轴校正信号与由第1俯仰轴控制信号生成部105生成的第1俯仰轴控制信号相加的第3俯仰轴控制信号。第1合成部106将所生成的第3俯仰轴控制信号输出到用于驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为支撑腿的腿部的支撑腿侧俯仰轴致动器109。
接着，在步骤S7，第2合成部108生成从第2俯仰轴控制信号生成部107所生成的第2俯仰轴控制信号减去由俯仰轴校正量累计部103生成的第1俯仰轴校正信号的第4俯仰轴控制信号。第2合成部108将所生成的第4俯仰轴控制信号输出到用于驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为游腿的腿部的游腿侧俯仰轴致动器110。
接着，在步骤S8，支撑腿侧俯仰轴致动器109根据由第1合成部106生成的第3俯仰轴控制信号，驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为支撑腿的腿部。
然后，在步骤S9，游腿侧俯仰轴致动器110根据由第2合成部108生成的第4俯仰轴控制信号，驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为游腿的腿部。之后，返回到步骤S1的处理，控制通过步行控制装置10实现的俯仰轴方向的步行动作。
这样，根据基本步行动作，支撑腿和游腿轮换交替，并且与髋关节、膝关节及踝的俯仰轴相对应的致动器被驱动。此时，如果上身部相对于垂直线在俯仰轴方向倾斜δθx，则将δθx乘以系数α而得的αδθx加在累计校正量Ix，并将累计校正量Ix(＝Ix+αδθx)加在伴随基本步行动作的双足的髋关节俯仰轴驱动量θ0、θ1上。
另外，俯仰轴控制部101还可以具备：第1判断部，判断基于第3俯仰轴控制信号的第1腿部3或第2腿部6的第1驱动量是否超过第1阈值；第2判断部，判断基于第4俯仰轴控制信号的第1腿部3或第2腿部6的第2驱动量是否超过第1阈值；第1变更部，在被判断为第1驱动量超过第1阈值的情况下，将第1驱动量变更为第1阈值；以及第2变更部，在被判断为第2驱动量超过第1阈值的情况下，将第2驱动量变更为第1阈值。
此时，第1判断部及第1变更部也可以按照第1驱动量的符号变更第1阈值的符号，第2判断部及第2变更部也可以按照第2驱动量的符号变更第1阈值的符号。此外，第1判断部也可以对第1驱动量的绝对值和第1阈值进行比较，第2判断部也可以对第2驱动量的绝对值和第1阈值进行比较。
接着，说明对本实施方式的翻滚轴方向(左右方向)的步行动作进行控制的步行控制装置。
在步行时，当使腿从接触地面的状态即立腿相切换到离开地面的状态即游腿相时，或者从游腿相切换到立腿相时，需要在左右方向上稳定地进行重心移动。
在步行状态下，腿的左右间隔比腿的前后间隔(步幅)窄，因此必须使左右的重心移动良好地与从立腿相向游腿相转移瞬间的抬腿时机同步，否则失去横向的平衡，有可能导致跌倒。
为了实现稳定的横向重心移动，需要针对各机器人分别设定符合其机体的振幅d和周期τ，但仅仅如此，因外部扰动、机器人本身的机构松动或扰乱等影响，还难以维持稳定的左右重心移动。
于是，在本实施方式中，除了实现周期性的横向重心移动的横向基本步行动作，还对横向的倾斜进行校正以使上身部成为垂直，从而使步行动作稳定。
图5是用于说明本实施方式的双足步行机器人在翻滚轴方向的步行控制的模式图。在图5中，从正面观察双足步行机器人1。在图5中，上身部2和第1腿部3通过髋关节7相连接，上身部2和第2腿部6通过髋关节8相连接，在髋关节7及髋关节8分别设有绕翻滚轴旋转驱动的致动器。例如，第1腿部3是步行时接触地面的支撑腿，第2腿部6是步行时没有接触地面的游腿。
在某时刻t，当上身部2相对于垂直线5的左右方向(翻滚轴方向)的倾斜角度为δθy，基本步行动作的支撑腿侧的翻滚轴髋关节角度为Θ0t-1时，通过将时刻t的基本步行动作的控制量Θ0t加在值Iyt上，从而计算被更新的支撑腿侧的翻滚轴髋关节角度B0t，其中，所述值Iyt是将倾斜校正量βδθy(β为系数)加在直到上次为止的累计值Iyt-1上的值(＝Iyt-1+βδθx)。
此外，通过将累计值Iyt和系数γ的乘积加在时刻t的基本步行动作的翻滚轴髋关节角度Θ1t上来计算游腿侧的翻滚轴髋关节角度B1t(B1t＝Θ1t+γIyt)。另外，在系数γ为1的情况下，即使对倾斜进行校正，游腿和支撑腿也相对于横向彼此平行地被驱动，成为适合于起伏较少的地板上面等的稳定的步态。另一方面，在系数γ为负值的情况下，当对倾斜进行校正时，游腿和支撑腿相对于横向朝着彼此相反的方向被驱动，即使在地面不平整的情况下也能容易地保持平衡。
图6是表示本实施方式中对翻滚轴方向的步行动作进行控制的步行控制装置的结构的图。
步行控制装置10具备翻滚轴倾斜角度取得部200及翻滚轴控制部201。
翻滚轴倾斜角度取得部200，在双足步行机器人1的步行动作中取得表示上身部2相对于基准角度的倾斜角度的信息。翻滚轴倾斜角度取得部200取得由倾斜角度检测部11检测出的上身部2在翻滚轴方向的倾斜角度δθy。
在第1腿部3及第2腿部6的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，翻滚轴控制部201根据倾斜角度使第1腿部3及第2腿部6动作，以便让上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内。特别是，在第1腿部3及第2腿部6的任一方为了步行动作而没有接触地面的状态下，翻滚轴控制部201根据翻滚轴方向的倾斜角度使第1腿部3及第2腿部6动作，以便让上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内。
翻滚轴控制部201具备翻滚轴校正量累计部203、存储部204、第1翻滚轴控制信号生成部205、第1合成部206、第2翻滚轴控制信号生成部207、校正增益乘法部208及第2合成部209。
翻滚轴校正量累计部203，当使第1腿部3及第2腿部6动作以便让上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内时，基于翻滚轴方向的倾斜角度δθy生成第1翻滚轴校正信号，该第1翻滚轴校正信号用于校正将上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内时的第1腿部3及第2腿部6的各自的动作。翻滚轴校正量累计部203通过将第1校正量加到累计校正量Iy上来生成第1翻滚轴校正信号，其中，所述第1校正量是根据翻滚轴方向的倾斜角度δθy为了将上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内所计算出的校正量，所述累计校正量Iy是到计算出第1校正量为止累计的校正量。其中，根据双足步行机器人1的左右方向(翻滚轴方向)的倾斜角度来计算第1校正量及累计校正量。
翻滚轴校正量累计部203，根据以规定时刻的倾斜角度δθy为变量的第1函数f1(δθy)计算第1校正量。另外，第1函数f1(δθy)也可以是将倾斜角度δθy乘以规定的系数β的函数(βδθy)，还可以是将倾斜角度δθy的正弦函数乘以规定的系数β而得的函数(β·sin(δθy))。
如上所述，第1翻滚轴校正信号可被表示为累计校正量Iy(＝Iy+f1(δθy))。
存储部204用于存储由翻滚轴校正量累计部203计算的累计校正量Iy。
第1翻滚轴控制信号生成部205生成用于使第1腿部3及第2腿部6中的支撑腿进行步行动作的第1翻滚轴控制信号。第1翻滚轴控制信号生成部205生成以角度Θ0作为控制量的第1翻滚轴控制信号，所述角度Θ0是以髋关节为中心使支撑腿向翻滚轴方向旋转时的角度。
第1合成部206生成将第1翻滚轴控制信号(Θ0)和第1翻滚轴校正信号(Iy)合成的第3翻滚轴控制信号(B0)，并将第3翻滚轴控制信号输出到用于驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为支撑腿的一方的支撑腿侧翻滚轴致动器210。第1合成部206通过将第1翻滚轴校正信号加在第1翻滚轴控制信号上来生成第3翻滚轴控制信号。
支撑腿侧翻滚轴致动器210是第1翻滚轴致动器14及第2翻滚轴致动器15中的任一个，根据第3翻滚轴控制信号使第1腿部3及第2腿部6之中成为支撑腿的腿部向翻滚轴方向旋转驱动。
第2翻滚轴控制信号生成部207生成用于使第1腿部3及第2腿部6中的游腿进行步行动作的第2翻滚轴控制信号。第2翻滚轴控制信号生成部207生成以角度Θ1作为控制量的第2翻滚轴控制信号，所述角度Θ1是以髋关节为中心使游腿向翻滚轴方向旋转时的角度。
校正增益乘法部208通过将第1翻滚轴校正信号(Iy)乘以规定的系数(γ)来生成第2翻滚轴校正信号(γIy)。
另外，当表示双足步行机器人1步行的步行面的凹凸的值为规定值以下时，校正增益乘法部208将规定的系数γ设为正值。在此情况下，双足步行机器人1具备用于将步行面的凹凸数值化来检测的传感器。由此，即使对倾斜进行校正，例如系数γ为1的情况下，游腿和支撑腿也相对于横向彼此平行地被驱动，可在起伏较少的步行面上实现稳定的步态。此外，当表示双足步行机器人1步行的步行面的凹凸的值大于规定值时，校正增益乘法部208将规定的系数γ设为负值。由此，当对倾斜进行校正时，游腿和支撑腿相对于横向朝着彼此相反的方向被驱动，即使在地面不平整的情况下也能容易地保持平衡。
第2合成部209生成将第2翻滚轴控制信号(Θ1)和第2翻滚轴校正信号(γIy)合成的第4翻滚轴控制信号(B1)，并将第4滚轴控制信号输出到用于驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为游腿的那一方的游腿侧翻滚轴致动器211。第2合成部209通过将第1翻滚轴校正信号乘以规定的系数而得的第2翻滚轴校正信号与第2翻滚轴控制信号相加，从而生成第4翻滚轴控制信号。
游腿侧翻滚轴致动器211是第1翻滚轴致动器14及第2翻滚轴致动器15中的任一个，根据第4翻滚轴控制信号使第1腿部3及第2腿部6之中成为游腿的腿部向翻滚轴方向旋转驱动。
这样，第1翻滚轴控制信号生成部205及第2翻滚轴控制信号生成部207连续生成作为驱动模式的第1翻滚轴控制信号Θ0及第2翻滚轴控制信号Θ1，通过将作为倾斜校正量的第1翻滚轴校正信号Iy及第2翻滚轴校正信号γIy叠加在所述第1翻滚轴控制信号Θ0及第2翻滚轴控制信号Θ1，从而能够使上身部2保持垂直。
此外，当检测出上身部2相对于第1腿部3及第2腿部6呈大致平行的直立状态时，翻滚轴校正量累计部203也可以将存储在存储部204的累计校正量清除为零。接着，第1翻滚轴控制信号生成部205也可以再次生成第1翻滚轴控制信号，第2翻滚轴控制信号生成部207也可以再次生成第2翻滚轴控制信号。由此，即使振动周期因为外力暂时发生变化，也能跟随变化的振动周期，可以平稳地继续进行横向的重心移动。另外，当再度生成第1翻滚轴控制信号及第2翻滚轴控制信号时，保持相对于左右腿部的支撑腿和游腿的轮换顺序。
此外，第1翻滚轴控制信号生成部205及第2翻滚轴控制信号生成部207也可以存储通过将第1翻滚轴校正信号与第1翻滚轴控制信号合成，并将第2翻滚轴校正信号与第2翻滚轴控制信号合成而发生的第1腿部3及第2腿部6的步幅的变化量。第1翻滚轴控制信号生成部205将所存储的变化量加在第1翻滚轴控制信号。第2翻滚轴控制信号生成部207将所存储的变化量加在第2翻滚轴控制信号。由此，当将存储于存储部204中的累计校正量清除为零时，可以防止步幅发生急剧的变化。此外，第1翻滚轴控制信号生成部205及第2翻滚轴控制信号生成部207使所存储的变化量随着时间的推移而减少最后成为零。由此，可以恢复到以第1翻滚轴控制信号及第2翻滚轴控制信号为基准的步幅。
此外，在双足步行机器人1被第1腿部3及第2腿部6支撑的情况下，第1合成部206及第2合成部209不需计算第1校正量。在此情况下，由于不计算第1校正量，累计校正量固定不变。因此，第1合成部206生成将第1翻滚轴控制信号和存储在存储部204中的表示累计校正量的第1翻滚轴校正信号合成的第3翻滚轴控制信号。此外，第2合成部209生成将第2翻滚轴控制信号和存储在存储部204中的表示累计校正量的第1翻滚轴校正信号合成的第4翻滚轴控制信号。
接着，对本实施方式中通过步行控制装置实现的翻滚轴方向的步行动作进行说明。
图7是用于说明本实施方式中通过步行控制装置实现的翻滚轴方向的步行动作的流程图。
首先，在步骤S21，倾斜角度检测部11检测上身部2相对于垂直线的翻滚轴方向的倾斜角度。
接着，在步骤S22，翻滚轴倾斜角度取得部200取得由倾斜角度检测部11检测出的翻滚轴方向的倾斜角度。
然后，在步骤S23，翻滚轴校正量累计部203通过将第1校正量加到累计校正量来生成第1翻滚轴校正信号，其中，第1校正量是根据所取得的翻滚轴方向的倾斜角度为了将上身部2相对于基准角度维持在规定的角度范围内所计算出的校正量，所述累计校正量是到计算出第1校正量为止累计的校正量。翻滚轴校正量累计部203将累计校正量存储在存储部204，并将所生成的第1翻滚轴校正信号输出到第1合成部206及校正增益乘法部208。
接着，在步骤S24，第1翻滚轴控制信号生成部205生成用于使第1腿部3及第2腿部6中的支撑腿进行翻滚轴方向的步行动作的第1翻滚轴控制信号。
然后，在步骤S25，第2翻滚轴控制信号生成部207生成用于使第1腿部3及第2腿部6中的游腿进行翻滚轴方向的步行动作的第2翻滚轴控制信号。
接着，在步骤S26，第1合成部206生成将由翻滚轴校正量累计部203生成的第1翻滚轴校正信号与由第1翻滚轴控制信号生成部205生成的第1翻滚轴控制信号相加的第3翻滚轴控制信号。第1合成部206将所生成的第3翻滚轴控制信号输出到用于驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为支撑腿的腿部的支撑腿侧翻滚轴致动器210。
接着，在步骤S27，校正增益乘法部208生成将由翻滚轴校正量累计部203生成的第1翻滚轴校正信号乘以规定的系数的第2翻滚轴校正信号。校正增益乘法部208将所生成的第2翻滚轴校正信号输出到第2合成部209。
接着，在步骤S28，第2合成部209生成将由校正增益乘法部208生成的第2翻滚轴校正信号与由第2翻滚轴控制信号生成部207生成的第2翻滚轴控制信号相加的第4翻滚轴控制信号。第2合成部209将所生成的第4翻滚轴控制信号输出到用于驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为游腿的腿部的游腿侧翻滚轴致动器211。
接着，在步骤S29，支撑腿侧翻滚轴致动器210根据由第1合成部206生成的第3翻滚轴控制信号，驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为支撑腿的腿部。
然后，在步骤S30，游腿侧翻滚轴致动器211根据由第2合成部209生成的第4翻滚轴控制信号，驱动第1腿部3及第2腿部6之中成为游腿的腿部。之后，返回到步骤S21的处理，控制通过步行控制装置10实现的翻滚轴方向的步行动作。
另外，翻滚轴控制部201还可以具备：第1判断部，判断基于第3翻滚轴控制信号的第1腿部3或第2腿部6的第1驱动量是否超过第1腿部3和第2腿部6相互干扰的第2阈值；第2判断部，判断基于第4翻滚轴控制信号的第1腿部3或第2腿部6的第2驱动量是否超过第2阈值；以及第1变更部，在被判断为第1驱动量超过第2阈值的情况下，将第1驱动量变更为比第2阈值少的规定值；以及第2变更部，在被判断为第2驱动量超过第2阈值的情况下，将第2驱动量变更为比第2阈值少的规定值。
此时，第1判断部及第1变更部也可以按照第1驱动量的符号变更第2阈值的符号，第2判断部及第2变更部也可以按照第2驱动量的符号变更第2阈值的符号。此外，第1判断部也可以对第1驱动量的绝对值和第2阈值进行比较，第2判断部也可以对第2驱动量的绝对值和第2阈值进行比较。
在此，对以往的步行控制和本实施方式的步行控制的区别进行说明。
图8是用于说明上身部因外力倾斜时的以往的步行控制的模式图，图9是用于说明上身部因外力倾斜时的本实施方式的步行控制的模式图。
如图8所示，对于以往的步行控制装置而言，例如，双足步行机器人在用单脚接触地面的状态下从横向受到外力之后，在上身倾斜θa度的状态下恢复直立姿势时，存在倾斜没有完全恢复还留有部分倾斜，或者倾斜会进一步增大，因此有可能发生双足步行机器人跌倒的情况。
另一方面，如图9所示，对于本实施方式的步行控制装置而言，双足步行机器人例如在用单脚接触地面的状态下从横向受到外力之后，在上身倾斜δθ的状态下恢复直立姿势时，因为以使上身部成为垂直的方式校正倾斜，能够防止双足步行机器人失去平衡而跌倒的情况。
因此，本实施方式的双足步行机器人无需在脚掌上设置传感器，就可实现能够承受外力的步行动作。此外，本实施方式的步行控制装置与以往的步行控制装置不同，不需进行针对目标ZMP的收敛计算，因此能迅速计算轨道。此外，本实施方式的步行控制装置也可以应对上身部的任意运动带来的重心位置的变化，即使是快速运动也能够容易地跟随。进一步，本实施方式的步行控制装置故意向前倾斜，通过赋予向前方向的倾斜，能够自然地开始步行或者改变步行速度。
进一步，对专利文献1的步行控制和本实施方式的步行控制的区别进行说明。
图10是利用倒立摆对专利文献1的步行控制进行说明的模式图，图11是利用倒立摆对本实施方式的步行控制进行说明的模式图。
首先，对专利文献1的步行控制进行说明。如图10所示，在时刻t＝0的初始姿势时，台车位置为X0，倒立摆的倾斜e为0。此时，控制量K为X0。接着，在时刻t＝1时，如果台车位置为X0，倒立摆的倾斜e成为θ1，则控制量K为X0+αθ1＝X1，使台车向倒立摆倾斜的方向移动距离(X1-X0)。然后，在时刻t＝2，如果台车位置为X1，倒立摆的倾斜e成为0，则控制量K为X0，使台车向相反的方向移动距离(X0-X1)，返回到初始位置。之后，在时刻t＝3，由于台车通过在时刻t＝2时的控制返回到初始位置，因此倾斜e成为θ2，倾斜校正变得无效。此时，通常是θ1＜θ2。
这样，专利文献1的步行控制方法不是使上身部始终保持垂直，而是通过使游腿在要着地之前迈出与倾斜角度相对应的步幅，从而确保游腿着地之后的稳定性。
下面，对本实施方式的步行控制进行说明。如图11所示，在时刻t＝0的初始姿势时，台车位置为X0，倒立摆的倾斜e为0。此时，校正累计值I＝0，控制量K＝X0+I＝X0+0＝X0。接着，在时刻t＝1时，如果台车位置为X0，倒立摆的倾斜e成为θ1，则成为校正累计值I＝I+αθ1，控制量K＝X0+I＝X0+αθ1＝X1，使台车向倒立摆倾斜的方向移动距离(X1-X0)。然后，在时刻t＝2，如果台车位置为X1，倒立摆的倾斜e成为0，则成为校正累计值I＝I+0，控制量K＝X0+I＝X1，台车的位置不变。之后，在时刻t＝3，如果倒立摆的倾斜e为0，则台车的位置不变，在不施加外力的情况下，倒立摆的倾斜e一直被维持在0。
这样，本实施方式的步行控制方法累计校正量，因此，在校正后将校正量与校正累计值I相加，加入到固定值，从而保持双足步行机器人的稳定，能够实现稳定的平衡控制。
即，以往技术是控制对固定的标准步行动作施加与上身部的倾斜角度相对应的校正量(比例控制)，而本发明是控制对固定的标准步行动作施加与上身部的倾斜角度相对应的校正量的累计值(积分控制)，这两者的动作是完全不同的。
另外，上述实施方式中的各构成要素也可以由专用的硬件构成，还可以通过执行符合各构成要素的软件程序来实现。对于各构成要素而言，也可以由CPU或处理器等程序执行部读出并执行记录在硬盘或半导体存储器等计算机可读取的记录媒体中的软件程序，来实现各构成要素的动作或功能。
此外，当实现各构成要素的动作或功能时使用的数据也可以记录在半导体存储器或硬盘等可写记录媒体中。
本发明所涉及的步行控制方法、记录步行控制流程的记录媒体及双足步行机器人能够实现稳定的步行动作，它们作为对双足步行机器人的步行动作进行控制的步行控制方法、记录步行控制流程的记录媒体及双足步行机器人而有用。
Claims (16)
1.一种步行控制方法，用于控制双足步行机器人的步行动作，其中，该双足步行机器人具备上身部、连接于所述上身部的第1腿部、连接于所述上身部的第2腿部、驱动所述第1腿部的第1驱动部及驱动所述第2腿部的第2驱动部，其特征在于，所述步行控制方法包括以下步骤：
调整所述双足步行机器人的重心位置以便所述双足步行机器人能以规定的基准角度直立；
在所述双足步行机器人的步行动作中，取得表示所述上身部相对于所述基准角度的倾斜角度的信息；
在所述第1腿部及所述第2腿部的任一方为了所述步行动作而没有接触地面的状态下，根据所述倾斜角度使所述第1腿部及所述第2腿部动作，以便让所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内。
2.根据权利要求1所述的步行控制方法，其特征在于：
当使所述第1腿部及所述第2腿部动作以便让所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内时，基于所述倾斜角度生成第1校正信号，该第1校正信号用于校正将所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内时的所述第1腿部及所述第2腿部的各自的动作，
基于所述第1校正信号校正用于使所述第1腿部及所述第2腿部进行步行动作的控制信号，并将校正后的所述控制信号分别输出到所述第1驱动部及所述第2驱动部。
3.根据权利要求2所述的步行控制方法，其特征在于：
通过将第1校正量加到累计校正量来生成所述第1校正信号，其中，所述第1校正量是根据所述倾斜角度为了将所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内所计算出的校正量，所述累计校正量是到计算出所述第1校正量为止累计的校正量。
4.根据权利要求3所述的步行控制方法，其特征在于：
根据以规定时刻的所述倾斜角度为变量的第1函数来计算所述第1校正量。
5.根据权利要求3或4所述的步行控制方法，其特征在于：
生成用于使所述第1腿部及所述第2腿部中的支撑腿进行步行动作的第1控制信号，
生成用于使所述第1腿部及所述第2腿部中的游腿进行步行动作的第2控制信号，
生成将所述第1控制信号和所述第1校正信号合成的第3控制信号，并将该第3控制信号输出到所述第1腿部及所述第2腿部之中成为支撑腿的一方，
生成将所述第2控制信号和所述第1校正信号合成的第4控制信号，并将该第4控制信号输出到所述第1腿部及所述第2腿部之中成为游腿的那一方。
6.根据权利要求5所述的步行控制方法，其特征在于：
根据所述双足步行机器人的前后方向的倾斜角度计算所述第1校正量及所述累计校正量，
所述第1控制信号包含第1前后方向控制信号，该第1前后方向控制信号是在所述双足步行机器人的步行动作中，用于使所述第1腿部及所述第2腿部之中的支撑腿向前后方向旋转驱动的信号，
所述第2控制信号包含第2前后方向控制信号，该第2前后方向控制信号是在所述双足步行机器人的步行动作中，用于使所述第1腿部及所述第2腿部之中的游腿向前后方向旋转驱动的信号，
通过将所述第1校正信号加在所述第1前后方向控制信号，生成所述第3控制信号，
通过从所述第2前后方向控制信号减去所述第1校正信号，生成所述第4控制信号。
7.根据权利要求6所述的步行控制方法，其特征在于：
判断基于所述第3控制信号的所述第1腿部或所述第2腿部的第1驱动量是否超过第1阈值，
判断基于所述第4控制信号的所述第1腿部或所述第2腿部的第2驱动量是否超过所述第1阈值，
当判断为所述第1驱动量超过所述第1阈值时，将所述第1驱动量变更为所述第1阈值，
当判断为所述第2驱动量超过所述第1阈值时，将所述第2驱动量变更为所述第1阈值。
8.根据权利要求6所述的步行控制方法，其特征在于：
当所述双足步行机器人被所述第1腿部及所述第2腿部支撑时，不计算所述第1校正量。
9.根据权利要求5所述的步行控制方法，其特征在于：
根据所述双足步行机器人的左右方向的倾斜角度计算所述第1校正量及所述累计校正量，
所述第1控制信号包含第1左右方向控制信号，该第1左右方向控制信号是在所述双足步行机器人的步行动作中，用于使所述第1腿部及所述第2腿部之中的支撑腿向左右方向旋转驱动的信号，
所述第2控制信号包含第2左右方向控制信号，该第2左右方向控制信号是在所述双足步行机器人的步行动作中，用于使所述第1腿部及所述第2腿部之中的游腿向左右方向旋转驱动的信号，
通过将所述第1校正信号加在所述第1左右方向控制信号，生成所述第3控制信号，
通过将所述第1校正信号乘以规定的系数而得的第2校正信号与所述第2左右方向控制信号相加，从而生成所述第4控制信号。
10.根据权利要求9所述的步行控制方法，其特征在于：
判断基于所述第3控制信号的所述第1腿部或所述第2腿部的第1驱动量是否超过所述第1腿部及所述第2腿部相互干扰的第2阈值，
判断基于所述第4控制信号的所述第1腿部或所述第2腿部的第2驱动量是否超过所述第2阈值，
当判断为所述第1驱动量超过所述第2阈值时，将所述第1驱动量变更为比所述第2阈值少的规定值，
当判断为所述第2驱动量超过所述第2阈值时，将所述第2驱动量变更为比所述第2阈值少的规定值。
11.根据权利要求9所述的步行控制方法，其特征在于：
当表示所述双足步行机器人步行的步行面的凹凸的值为规定值以下时，将所述规定的系数设为正值。
12.根据权利要求9所述的步行控制方法，其特征在于：
当表示所述双足步行机器人步行的步行面的凹凸的值大于规定值时，将所述规定的系数设为负值。
13.根据权利要求5所述的步行控制方法，其特征在于：
当检测出所述上身部相对于所述第1腿部及所述第2腿部呈大致平行的直立状态时，将所述累计校正量清除为零，
再次生成所述第1控制信号及所述第2控制信号。
14.根据权利要求13所述的步行控制方法，其特征在于：
存储通过将所述第1校正信号与所述第1控制信号及所述第2控制信合成而发生的所述第1腿部及所述第2腿部的步幅的变化量，
将所存储的所述变化量与所述第1控制信号及所述第2控制信号相加，
使所存储的所述变化量随着时间的推移而减少最后成为零。
15.一种记录步行控制流程的记录媒体，其中的步行控制流程用于控制双足步行机器人的步行动作，该双足步行机器人具备上身部、连接于所述上身部的第1腿部、连接于所述上身部的第2腿部、驱动所述第1腿部的第1驱动部及驱动所述第2腿部的第2驱动部，其特征在于，所述步行控制流程包括：
调整所述双足步行机器人的重心位置以便所述双足步行机器人能以规定的基准角度直立，
在所述双足步行机器人的步行动作中，取得表示所述上身部相对于所述基准角度的倾斜角度的信息，
在所述第1腿部及所述第2腿部的任一方为了所述步行动作而没有接触地面的状态下，根据所述倾斜角度使所述第1腿部及所述第2腿部动作，以便让所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内。
16.一种双足步行机器人，其特征在于包括：
上身部；
连接于所述上身部的第1腿部；
连接于所述上身部的第2腿部；
驱动所述第1腿部的第1驱动部；
驱动所述第2腿部的第2驱动部；
取得部，在调整了双足步行机器人的重心位置而双足步行机器人以可直立的规定的基准角度步行动作中，取得表示所述上身部相对于所述基准角度的倾斜角度的信息；以及
控制部，在所述第1腿部及所述第2腿部的任一方为了所述步行动作而没有接触地面的状态下，根据所述倾斜角度使所述第1腿部及所述第2腿部动作，以便让所述上身部相对于所述基准角度维持在规定的角度范围内。
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