CN1407922A - 腿式移动机器人、控制机器人的方法、机器人的脚部结构、和机器人的可移动腿部单元 - Google Patents

腿式移动机器人、控制机器人的方法、机器人的脚部结构、和机器人的可移动腿部单元 Download PDF

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Abstract

本发明的腿式移动机器人利用采样间隔相对长的ZMP稳定性确定准则，以稳定方式控制身体的姿势。腿式移动机器人拥有作为由可移动腿的脚底的地接触点和行走表面组成的支承多边形的稳定ZMP区域、和其中产生机器人身体的动量，以便使ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心附近的ZMP状态空间。在ZMP状态空间中，机器人的动量沿着正方向或负方向移动。在负方向中，空间形变使ZMP移向稳定区域的边缘，和在正方向中，空间形变使ZMP移向稳定区域的中心。

Description

腿式移动机器人、控制机器人的方法、 机器人的脚部结构、和机器人的可移动腿部单元
技术领域
本发明涉及至少含有数只可移动腿的腿式移动机器人、尤其涉及利用可移动腿进行行走操作和其它用腿操作的腿式移动机器人。
更具体地说，本发明涉及在用腿操作期间，利用所谓的ZMP(零力矩点)作为稳定性确定准则，进行身体姿势控制的腿式移动机器人，并且还涉及利用采样间隔相对长的ZMP稳定性确定准则，进行姿势控制的腿式移动机器人。
背景技术
借助于磁效应移动，模仿人的行为的机器被称为“机器人(robot)”。据说“机器人”这个术语来源于斯拉夫语(Slavic)中的单词“Robota(奴隶机器)”。在日本，机器人从六十年代开始就得到广泛应用，这些机器人大多数是为了使工厂中生产线自动化或为了用在无人化工厂中而设计的工业机器人，诸如机械手和输送机器人。
近年来，在模仿像人和类人猿那样，双腿行走的生物的身体机理和运动的腿式移动机器人方面的研究和开发已经取得进展，这些机器人的商品化指日可待。腿式移动机器人不稳定，在姿势控制和腿式控制方面，与爬行机器人、四足机器人、和六足机器人相比显得更加困难。但是，腿式移动机器人的卓越之处在于，腿式移动机器人可在，例如，存在不规则表面和障碍物的崎岖不平行走表面、或诸如楼梯或台阶之类的不连续行走表面上灵活移动。
模仿人的身体机理和运动的腿式移动机器人被称为“人形化”或“人型”机器人(类人机器人)。类人机器人可以帮助人们处理在生活环境内的日常事务和各种人的活动。
人的工作空间和生活空间是根据双腿行走人类的身体机理和行为模式决定的。换句话说，带有轮子或其它驱动装置的当前可用机械系统，作为运输工具，必须克服存在于人类生活空间中的各种障碍物。对于像机器人那样，帮助人们从事各种人类活动和渗透到生活环境中的各个角落的机械系统来说，机器人的工作范围更适宜与人的工作范围保持基本相同。正是这个原因，人们期待着双腿腿式移动机器人商品化。双腿行走能力是提高机器人与人类生活环境的亲密性的基本要求。
涉及到双腿腿式移动机器人的姿势控制和稳定行走的许多技术已经提出来了。稳定“行走”可以定义为“用脚走来走去而不会跌倒”。机器人的姿势控制对于机器人在行动期间避免跌倒是重要的。跌倒意味着机器人活动中断了，需要作出很大的努力和花费许多时间才能从跌倒的状态站立起来，重新开始活动。存在着机器人本身受到损坏和机器人跌倒时撞到的物品可能受到严重毁坏的风险。在设计和开发腿式移动机器人的过程中，在行走期间有关稳定姿势的姿势控制和跌倒预防是最重要的课题。
涉及到在行走期间机器人姿势控制和机器人跌倒预防的许多建议都利用ZMP(零力矩点)作为行走稳定性确定准则。ZMP的稳定性确定准则是基于“达朗伯(D′Alembert)原理”的，根据达朗伯原理，行走系统作用在行走表面上的重力和惯性力矩与行走表面反作用在行走系统上的地板反用作力和地板反作用力矩保持平衡。从动力学角度来考虑，沿着在脚底接触点与行走表面之间形成的支承多边形(即，稳定ZMP区域)的边或在支承多边形内存在俯仰轴力矩和摇晃轴力矩变成零的点“ZMP(零力矩点)”。
总之，ZMP准则指的是如下规则，“在行走的任何瞬间，由脚和行走表面形成的支承多边形内存在ZMP，如果机器人施加在行走表面上的力起作用，机器人就能稳定地行走，而不会跌倒(没有转动)。”
根据基于ZMP准则的双腿模式，事先设置脚底着地点，和考虑到行走表面的结构，脚趾的运动限制状态就易于考虑了。由于ZMP用作稳定性确定准则意味着在运动控制中，把路线而不是把力当作目标来对待，因此，把ZMP用作稳定性确定准则的技术可行性高。
Miomir Vukobratovic所著的书籍《腿式移动机器人》(“LEGGEDLOCOMOTION”)(由加藤一郎等人翻译的《有腿机器人和人造脚》(日刊工业新闻社))描述了在腿式移动机器人的稳定性确定准则中ZMP的概念和ZMP的应用。
在把ZMP用作稳定性确定准则的机器人的传统典型姿势控制和行走控制中，如果ZMP位置偏离稳定ZMP区域，那么，控制ZMP位置，使其返回到稳定区域。换句话说，在正常行动期间，ZMP与运动无关。在出现动量超过预定极限的情况之后，作为回应，通过控制，例如，腿的关节，控制ZMP位置。
日本专利申请公布平5-305579号公开的腿式移动机器人被设计成随着地板上具有被设置成目标值的零ZMP的点稳定地行走。
在日本专利申请公布平5-305581号公开的腿式移动机器人中，ZMP位于支承多面体(多边形)内，或者，在落在地板上或从地板上抬起期间，ZMP位于不在支承多边形的边上的预定边界内。在这种情况下，即使存在干扰，ZMP也拥有预定边界，在行走期间，机器人身体的稳定性提高了。
日本专利申请公布平5-305583号公开了根据ZMP目标位置，控制腿式移动机器人的行走速度的控制方法。具体地说，利用预定行走模式数据，驱动腿关节，以便使ZMP与目标位置一致，和检测机器人上身的倾斜程度，根据检测的上身倾斜程度，调整设定行走模式数据输出速率。当机器人由于踏上凹凸不平的未知行走表面而向前倾斜时，可以提高输出速率，以便恢复机器人的姿势。借助于被控制成目标位置的ZMP，在双支承阶段可以毫无问题地调整输出速率。
日本专利申请公布第5-305585号公开了根据ZMP目标位置，控制腿式移动机器人的着地位置的控制方法。具体地说，公开的腿式移动机器人检测ZMP目标位置与实际测量位置之间的误差，驱动一只或两只脚来消除这种误差，或者，检测有关ZMP目标位置的力矩，然后，驱动这些脚，使力矩降为零。
日本专利申请公布第5-305586号公开了根据ZMP目标位置，控制腿式移动机器人的倾斜姿势的控制方法。具体地说，检测有关ZMP目标位置的力矩，当存在力矩时，通过驱动脚部单元，直到力矩变为零为止，以达到稳定行走。
上述机器人的体位控制方法是基于如下基本操作的，在这种基本操作中，在由可动脚的脚底的地接触点和行走表面形成的多边形，即稳定ZMP区域内，或沿着它的边搜索俯仰轴力矩和摇晃轴力矩变成零的点。当ZMP位置偏离稳定ZMP区域时，进行校正控制，使其返回到稳定ZMP区域。
ZMP准则只不过是在机器人的身体和行走表面在性质上非常接近固体(具体地说，即使在任何力或力矩的作用下，仍然不会变形，也不会流动)的假设下可以使用的准则。换句话说，当机器人身体和行走表面在性质上非常接近固体的假设不成立时，随着机器人高速移动而作用在ZMP上的(平动)力和在支承腿的转换点上的冲力都很大，机器人本身也受动量支配。如果不适当地处理机器人由施加在机器人上的力引起的动量，ZMP所在的空间就变得不稳定。虽然机器人的姿势满腿了ZMP准则(即，ZMP处在支承多边形内，和机器人把压力施加在行走表面上)，但是，由于要使不稳定ZMP变成稳定的，机器人姿势本身变得不稳定了。随着机器人的重心变低，机器人身体发生转动，稳定行走变得非常难以实现。
图1和图2分别显示了机器人和行走表面在性质上非常接近固体的理想模型，和当机器人和行走表面实际上不是固体时，ZMP位置与机器人的动量之间的关系(也就是说，机器人的ZMP状态空间)。
在机器人和行走表面在性质上非常接近固体的理想情况下，在图1所示的ZMP状态空间内，在计算的稳定ZMP区域的任何ZMP位置中，在机器人身上不会产生动量。换句话说，机器人身体的稳定姿势在任何ZMP位置中都不会遭到破坏。
在实际系统的ZMP状态空间中，机器人和行走表面不是固体的。即使在计算的稳定ZMP区域内，在机器人身上也会产生取决于ZMP位置的动量。在图2所示的情况中，在稳定ZMP区域的中心附近，在机器人身上不会产生动量。在这种状态下，机器人的稳定姿势不会遭到破坏。随着ZMP位置向外离开稳定ZMP区域的中心，机器人的动量沿着负方向增加。
参照图1和图2，ZMP状态空间通过ZMP位置和地板表面作用在机器人身体上的地板反作用力来定义。关于机器人动量的方向，负方向定义为使空间在某种程度上变形，致使ZMP位置朝着稳定区域的边缘移动的方向，和正方向定义为使空间在某种程度上变形，致使ZMP位置朝着稳定区域的中心移动的方向。如图2所示，随着ZMP位置从稳定ZMP区域的中心向外移动，机器人的动量沿着负方向增加。即使在稳定ZMP区域内，机器人也会朝着稳定ZMP区域的边缘移动，最后跌倒。
由于这个原因，即使计算结果显示机器人的ZMP位置停留在稳定ZMP区域内，也必须不断进行姿势控制，以便把ZMP位置移回到稳定ZMP区域的中心。把ZMP位置不断移回到中心的控制方法的典型例子是“逆向摆(inversependulum)”。在这种情况下，需要进行高速控制(具体地说，系统的采样间隔极短)，在计算机上进行姿势控制的工作量增加了。
ZMP稳定性确定准则只不过是基于在理想环境下进行行走的假设，以及在实际操作环境下不能实现的前提的准则。为了使机器人能够在人的生活环境下，以自主方式不断行走，需要发明一种考虑到ZMP空间稳定性的机器人系统配置。
腿式移动机器人在用腿作业期间的稳定性和可控制性不仅受四肢的步态模式或运动模式支配，而且受在上面进行诸如行走之类的用腿作业的地面和行走表面的状态的支配。这是因为，只要机器人的脚与行走表面接触，反作用力就不断地作用于机器人。在诸如行走之类的用腿作业期间，来自行走表面的反作用力变成很大的冲力，尤其在抬起的脚落在地面上的时候。反作用力可以成为一种干扰，导致机器人不稳定。
也就是说，为了让双腿行走机器人能够进行用腿作业，而不会破坏它的姿势，机器人最好使它在着地那一瞬间保持的稳定姿势与地面相匹配，并且，在着地期间行走表面作用在机器人身上的反作用力最好尽可能地小。与地面接触的脚底的结构对于建立机器人与地面之间的良好关系极为重要。
为了吸收机器人在着地期间遭受来自地面的冲力，本领域的普通技术人员都熟知，在脚底上使用弹性材料。
当机器人在脚着地期间受到来自地面的反作用力时，机器人身体易遭受绕摇晃轴和俯仰轴的各种干扰。主要向前移动的腿式移动机器人在纵向具有宽广的自由度，对沿着前向，即，绕俯仰轴的干扰作出反应相对容易些。另一方面，腿式移动机器人对使机器人摇晃的、绕摇晃轴的干扰具有较弱的抗干扰能力。即使来自地面的冲力被脚底上的弹性材料均匀吸收，也只不过吸收了每根轴周围的冲力。不能恢复在脚着地时或通过其它干扰已经破坏了的机器人稳定姿势。尽管在着地那一瞬间的冲力被吸收掉了，但是机器人身体最终可能还是跌倒了。在这种情况下，在ZMP位置已经偏离了稳定ZMP区域之后校正ZMP的后控制易受到限制。
搜索ZMP意味着经过双腿腿式移动机器人中右脚和左脚两者之间(即，每只脚的内侧)的轨迹。更具体地说，当由于机器人的移动，使ZMP轨迹移出一只脚之外时，如果机器人不踩在另一只脚的外侧，就不能保持机器人的稳定姿势。这种操作是一只脚与另一只脚交叉的腿交叉操作，并且是右腿和左腿相互干扰的、在物理上和机械上都难以实现的动作。
双腿行走机器人是根据与人和类人猿的行为机理相一致的运动设计的。机器人在纵向的抗干扰能力强，而在横向的抗干扰能力相对较弱。
考虑到控制器的计算速度、要控制的目标的响应速度、和其它参数，在用腿作业期间，只通过操作控制来控制机器人的姿势是极为困难的。也就是说，在ZMP位置已经偏离了稳定ZMP区域之后校正ZMP的后控制易受到限制。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在用腿作业期间，利用所谓的ZMP(零力矩点)作为稳定性确定准则，适当地进行机器人的姿势控制的出色腿式移动机器人及其控制方法。
本发明的另一个目的是提供一种利用采样间隔相对长的ZMP稳定性确定准则，适当地进行机器人的姿势控制的出色腿式移动机器人及其控制方法。
本发明的另一个目的是提供一种形成使机器人能够在人的生活环境下，稳定地动态行走的ZMP状态空间的出色腿式移动机器人及其控制方法。
本发明的另一个目的是提供一种在腿式移动机器人的可移动腿部单元中的脚部结构，其中脚在着地那一瞬间受到行走表面的冲力被吸收了，和要不然被破坏掉的稳定机器人姿势得到了恢复或稳定姿势的恢复变得容易了。
本发明的另一个目的是提供一种不仅通过机器人身体的操作控制，而且借助于机器人的机械结构，都能容易地保持它的稳定姿势的出色腿式移动机器人。
本发明的另一个目的是提供一种通过提高抵抗横向干扰的抗干扰能力，容易地保持它的姿势稳定性的出色腿式移动机器人。
本发明就是在考虑了上述目的之后研究出来的，在一个方面，它涉及至少拥有两只可移动腿的腿式移动机器人及其控制方法。腿式移动机器人及其控制方法分别包括ZMP状态空间控制装置和步骤，用于控制通过机器人身体的俯仰轴力矩和摇晃轴力矩变成零的ZMP位置和地板表面作用在机器人身体上的地板反作用力定义的ZMP状态空间，其中ZMP状态空间控制装置和步骤事先把预定形变或预定特性赋予ZMP状态空间。
正如在“背景技术”中已经讨论过的那样，ZMP稳定性确定准则只用在机器人身体和行走表面在性质上非常接近固体的时候。也就是说，当机器人身体和行走表面在性质上非常接近固体的假设不成立时，ZMP所在的空间变成不稳定的，除非利用相对短的采样间隔适当地处理由施加在上面的力引起的机器人的动量。虽然机器人的姿势满腿ZMP稳定性确定准则，但是，为了使不稳定ZMP变成稳定的，机器人的姿势变得不稳定了。
在根据本发明第一方面的步行机器人及其控制方法中，采用ZMP(零力矩点)作为姿势的稳定性确定准则。在考虑到机器人身体的动量之后，采用拥有稳定ZMP空间的机器人系统配置。
ZMP状态空间控制装置或步骤可以事先把形变赋予ZMP状态空间，以便随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，在机器人身体中产生动量，把ZMP位置移回到稳定ZMP区域的中心，其中稳定ZMP区域是由可移动腿的脚底的地接触点和行走表面形成的支承多边形。这样，就形成机器人容易保持它的姿势的结构。在ZMP状态空间控制装置或步骤中，预定特性可以是机器人的动量的大小或方向随地板反作用力而改变。
在根据本发明第一方面的腿式移动机器人及其控制方法中，在ZMP位置的移动已经超出预定范围之后，提供空间形变和预定特性，而不是开始后校正控制。虽然机器人身体的控制机制没有腿够快的响应，但是，保证抵抗干扰的抗干扰能力很强。
在ZMP状态空间控制装置或步骤中，ZMP状态空间控制装置可以把机器人身体的动量设置成稳定ZMP区域的中心附近的极小点。在这种情况下，沿着不断使姿势保持稳定的方向产生机器人身体的动量。因此，容易保持姿势稳定。即使利用相对长的采样间隔，也可以进行充分稳定的姿势控制。
ZMP状态空间控制装置或步骤可以把机器人身体的动量设置成稳定ZMP区域中心附近的极小点，同时把机器人身体的动量设置成稳定ZMP区域边缘附近的极大点。在置于极大点之间的区域中，产生机器人身体的动量，致使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动。这样就易于保持姿势稳定。即使利用相对长的采样间隔，也可以进行充分稳定的姿势控制。相反，在极大点以外，产生机器人的动量，致使ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域。因此，机器人从“姿势稳定模式”过渡到“跌倒模式”。
在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，其中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便机器人的动量在ZMP状态空间的负区域中具有极大值，和以便随着地板反作用力越来越大，机器人动量的极大值的ZMP位置沿着正方向移动。
在这种情况下，在单支承阶段的后一段，在直立腿中，弯曲度与ZMP位置沿着Y轴的位移量几乎成线性地减少。当地板反作用力小时，当ZMP位置向机器人身体的内侧移动时，直立腿向内弯曲；当ZMP位置向外偏离机器人身体时，直立腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，虽然ZMP位置向外偏离机器人身体，但是直立腿却变得难以向外弯曲。
假设机器人的总重量是100，当地板反作用力变成等于或大于100时，把它定义成“大”力。当地板反作用力在20到100的范围内时，把它定义为“中等”力，和当地板反作用力等于或小于20时，把它定义为“小”力。这只不过大致定一下，取决于机器人的结构和重量，这种划分是可以改变的。定性地说，“小地板反作用力”指的是在双支承阶段，当一只脚支承着机器人的几乎全部重量时，作用在另一只脚上的地板反作用力。
在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，其中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便在ZMP状态空间的负区域中机器人的动量在稳定ZMP区域的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
在这种情况下，在单支承阶段的后一段，在直立腿中，弯曲度与ZMP位置沿着X轴的位移量几乎成线性地减少。当地板反作用力小时，当ZMP位置向前偏离机器人身体时，直立腿向前弯曲；当ZMP位置向后偏离机器人身体时，直立腿向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，不管ZMP位置向前还是向后移动，直立腿都变得难以弯曲。
在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。在运动方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
在地板反作用力小的单支承阶段，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向外弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向内弯曲。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立腿向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向后弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立腿向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向前弯曲。
在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。在运动方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
当地板反作用力小时，随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向外弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向内弯曲。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲。
在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，其中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便在ZMP状态空间的负区域中的机器人动量在稳定ZMP状态空间的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
在这种情况下，腿的弯曲度与ZMP位置沿着从机器人身体向外的方向的位移量几乎成线性地减少。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向内往机器人身体方向，直立腿向内弯曲；随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，不管ZMP位置向内还是向外移动，直立腿都变得难以弯曲。在双支承阶段，机器人被两只腿支承着，腿的弯曲度小于在单腿支承着机器人的单支承阶段的弯曲度。
在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，其中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置从机器人身体向外移动的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便在ZMP状态空间的负区域中的机器人动量在稳定ZMP状态空间的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
在这种情况下，腿的弯曲度与ZMP位置沿着从机器人身体向外的方向的位移量几乎成线性地减少。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立腿向前弯曲；随着ZMP位置向后偏离机器人身体时，直立腿向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，不管ZMP位置向前还是向后移动，直立腿都变得难以弯曲。在双支承阶段，机器人被两只腿支承着，腿的弯曲度小于在单腿支承着机器人的单支承阶段的弯曲度。
在与运动方向垂直的方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。在运动方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
在地板反作用力小的双支承阶段，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向外弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向内弯曲。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立腿向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向后弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立腿向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向前弯曲。
在与运动方向垂直的方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。在运动方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
当地板反作用力小时，随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向外弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向内弯曲。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲。
在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，其中，第一坐标轴的负方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便机器人的动量在ZMP状态空间的负区域中具有极大值，和以便随着地板反作用力越来越大，机器人动量的极大值的ZMP位置沿着正方向移动。
在单支承阶段的前一段，在直立腿中，腿的弯曲度与ZMP位置沿着Y轴的位移量几乎成线性地减少。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向内弯曲；随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，虽然ZMP位置向外偏离机器人身体，但是直立腿却变得难以向外弯曲。
在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，其中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向前偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便在ZMP状态空间的负区域中机器人的动量在稳定ZMP区域的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
在单支承阶段的前一段，在直立腿中，腿的弯曲度与ZMP位置沿着X轴的位移量几乎成线性地减少。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立腿向前弯曲；随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，不管ZMP位置向前还是向后偏离机器人身体，直立腿都变得难以弯曲。
在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。在运动方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
在地板反作用力小的单支承阶段的前一段，随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向外弯曲，和随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向内弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向内弯曲，和随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向外弯曲。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立腿向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向后弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立腿向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向前弯曲。
在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。在运动方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置或步骤可以把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向外弯曲，和随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向内弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向内弯曲，和随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向外弯曲。当地板反作用力小时，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲。当地板反作用力越来越大时，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲。
ZMP状态空间控制装置可以是每只可移动腿的脚部结构，脚部结构包括脚座、脚垫和脚踝连接单元，其中，脚座具有通常是平面的结构；脚垫位于脚座的脚底上，具有非简谐特性，刚开始时，形变相对较大，随后，形变相对较小；和脚踝连接单元位于脚座上表面的中央附近，用于将脚座与腿式移动机器人的可移动腿连接在一起。
当脚与行走表面接触时，具有非简谐特性的脚垫首先变形。因此，要求它具有腿够的缓冲效应。随着脚垫进一步变形，非简谐特性使单位外加负载引起的形变减少了，并且，由于过分的形变，脚底不再变得不稳定了。也就是说，由脚部结构构成的ZMP状态空间控制装置导致ZMP状态空间存在使机器人动量可以把ZMP位置向内移向稳定ZMP区域的空间形变。
ZMP状态空间控制装置可以是每只可移动腿的腿部结构，腿部结构包括至少一个关节致动器、具有第一刚度的内侧支承体、和具有第二刚度的外侧支承体，其中，关节致动器用于实现可移动腿上的自由度；内侧支承体用于支承在腿式移动机器人身体内侧上的关节致动器；和外侧支承体用于支承在腿式移动机器人身体外侧上的关节致动器，第二刚度比第一刚度相对大一些。
即使在机器人身体中出现意想不到的干扰，由腿部结构构成的ZMP状态空间控制装置也使ZMP难以向脚的外侧，即，与脚的拱部相反的那一侧移动。其结果是，腿式移动机器人抵抗横向干扰的抗干扰能力提高了，从而非常便于机器人身体的姿势控制。也就是说，引导ZMP向机器人身体的内侧，即，脚的拱侧移动。把导致使ZMP位置向内移向稳定ZMP区域内部的机器人动量的空间形变赋予ZMP状态空间。例如，当意想不到的干扰使ZMP移向脚的拱侧，即左右脚之间时，腿式移动机器人迅速地让抬起的脚着地。这样，稳定区域扩大了，从而易于防止跌倒。
本发明第二方面涉及至少含有数只可移动腿的腿式移动机器人的脚部结构，脚部结构包括脚座、脚垫和脚踝连接单元，其中，脚座具有通常是平面的结构；脚垫位于脚座的脚底上，具有非简谐特性，刚开始时，形变相对较大，随后，形变相对较小；和脚踝连接单元位于脚座上表面的中央附近，用于将脚座与腿式移动机器人的可移动腿连接在一起。
脚垫可以由至少两种布置在脚座的脚底上的预定位置上的缓冲材料构成，其中，缓冲材料的高度是不同的。使用高度不同的缓冲材料相对来说易于实现脚垫的非简谐特性。
当脚与行走表面接触时，具有非简谐特性的脚垫首先变形。因此，要求它具有腿够的缓冲效应。随着脚垫进一步变形，非简谐特性使单位外加负载引起的形变减少了，并且，由于过分的形变，脚底不再变得不稳定了。也就是说，在本发明第二方面中，腿式移动机器人的脚部结构提供了存在使机器人动量可以把ZMP位置向内移向稳定ZMP区域的空间形变的ZMP状态空间。
缓冲材料可以位于脚座的脚底的内侧和外侧。当缓冲材料可以位于脚座的脚底的内侧和外侧时，位于外侧的缓冲材料在刚度上要高于位于内侧的缓冲材料。
在脚座的脚底的内侧和外侧上脚座缓冲材料的形变特性之间的差异使得当大的冲力施加到机器人身上时，内侧缓冲材料下陷得比外侧缓冲材料多。其结果是，安装在脚座上的腿部单元向机器人身体的内侧，即，向机器人身体的中间(脚的拱侧)倾斜。这样，在机器人的ZMP向内移向机器人身体的同时，抬起的脚着地，从而，稳定区域扩大了。因此，机器人姿势的稳定性和可控制性提高了。
可以把绕腿式移动机器人的摇晃轴的刚度设得比绕腿式移动机器人的俯仰轴的刚度高。通过在脚座的上表面和/或脚底的预定位置上形成一些凹部，可以把绕腿式移动机器人的摇晃轴的刚度设得比绕腿式移动机器人的俯仰轴的刚度高。
双腿腿式移动机器人通常沿着横向(绕摇晃轴的方向)的ZMP范围比沿着纵向(绕俯仰轴的方向)的ZMP范围窄。也就是说，抵抗绕摇晃轴的干扰的抗干扰能力较低，因此，要求机器人沿着横向，即，绕摇晃轴具有极高的控制精度。根据本发明的脚部结构，绕摇晃轴的刚度提高了，从而相当大地提高了抵抗横向干扰的抗干扰能力。其结果是，双腿腿式移动机器人的姿势控制变得容易了。
本发明第三方面涉及腿式移动机器人，并且至少包括进行双腿作业的一对左右可移动腿部单元。可移动腿部单元包括至少一个关节致动器、具有第一刚度的内侧支承体、和具有第二刚度的外侧支承体，其中，关节致动器用于实现可移动腿上的自由度；内侧支承体用于支承在腿式移动机器人身体内侧上的关节致动器；和外侧支承体用于支承在腿式移动机器人身体外侧上的关节致，第二刚度比第一刚度相对大一些。
在本发明的第三方面中，本发明的腿式移动机器人在左右可移动腿部单元中采用了外侧支承体和内侧支承体在刚度上不同的结构，具体地说，把外侧支承体的刚度(尤其在抗弯刚度方面)设得要比内侧支承体的刚度高。这种安排使得即使在机器人身体中出现意想不到的干扰，ZMP也难以向脚的外侧，即，与脚的拱部相反的那一侧移动。其结果是，腿式移动机器人抵抗横向干扰的抗干扰能力提高了，从而非常便于机器人身体的姿势控制。
也就是说，引导ZMP向机器人身体的内侧，即，脚的拱侧移动。把导致使ZMP位置向内移向稳定ZMP区域内部的机器人动量的空间形变赋予ZMP状态空间。例如，当意想不到的干扰使ZMP移向脚的拱侧，即左右脚之间时，腿式移动机器人迅速地让抬起的脚着地。这样，稳定区域扩大了，从而易于防止跌倒。
就抗弯刚度而言，第二刚度最好是第一刚度的1.2倍。
第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过把内侧支承体和外侧支承体的厚度做得不一样来实现。
第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过把内侧支承体和外侧支承体的形状做得不一样来实现。
第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过分别用机械强度不同的材料制成内侧支承体和外侧支承体来实现。
可移动腿的关节的自由度可以至少包括绕臀部摇晃轴的自由度和绕膝部摇晃轴的自由度。并且，可移动腿的关节的自由度还可以包括将脚与腿相连接的踝关节的自由度。
本发明第四方面涉及左右成对地用在进行用腿作业的腿式移动机器人中的可移动腿部单元。可移动腿部单元包括至少一个关节致动器、具有第一刚度的内侧支承体、和具有第二刚度的外侧支承体，其中，关节致动器用于实现可移动腿上的自由度；内侧支承体用于支承在腿式移动机器人身体内侧上的关节致动器；和外侧支承体用于支承在腿式移动机器人身体外侧上的关节致动器，第二刚度比第一刚度相对大一些。
在本发明的第四方面中，本发明的腿式移动机器人在这对左右可移动腿部单元的每一个中采用了外侧支承体和内侧支承体在刚度上不同的结构，具体地说，把外侧支承体的刚度(尤其在抗弯刚度方面)设得要比内侧支承体的刚度高。这种安排使得即使在机器人身体中出现意想不到的干扰，ZMP也难以向脚的外侧，即，与脚的拱部相反的那一侧移动。其结果是，腿式移动机器人抵抗横向干扰的抗干扰能力提高了，从而非常便于机器人身体的姿势控制。
也就是说，引导ZMP向机器人身体的内侧，即，脚的拱侧移动。把导致使ZMP位置向内移向稳定ZMP区域内部的机器人动量的空间形变赋予ZMP状态空间。例如，当意想不到的干扰使ZMP移向脚的拱侧，即左右脚之间时，腿式移动机器人迅速地让抬起的脚着地。这样，稳定区域扩大了，从而易于防止跌倒。
就抗弯刚度而言，第二刚度最好是第一刚度的1.2倍。更可取地，第二刚度最好是第一刚度的1.5到2.0倍。
第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过把内侧支承体和外侧支承体的厚度做得不一样来实现。
第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过把内侧支承体和外侧支承体的形状做得不一样来实现。
第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过分别用机械强度不同的材料制成内侧支承体和外侧支承体来实现。
可移动腿的关节的自由度可以至少包括绕臀部摇晃轴的自由度和绕膝部摇晃轴的自由度。并且，可移动腿的关节的自由度还可以包括将脚与腿相连接的踝关节的自由度。
本发明第五方面涉及控制至少含有两只可移动腿的腿式移动机器人的方法，和包括通过机器人身体的俯仰轴力矩和摇晃轴力矩变成零的ZMP位置和通过地板表面作用在机器人身体上的地板反作用力定义ZMP状态空间的步骤、根据ZMP状态空间的定义确定稳定ZMP位置的步骤、和根据确定的稳定ZMP位置控制机器人身体的操作的步骤。
在本发明的第五方面中，本发明控制腿式移动机器人的控制方法采用ZMP作为姿势的稳定性确定准则，和在考虑到机器人身体的动量之后控制拥有稳定ZMP空间的机器人身体的动作。
事先把形变赋予ZMP状态空间，以便随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，在机器人身体中产生动量，把ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心，其中，稳定ZMP区域是由可移动腿的脚底的地接触点和行走表面组成的支承多边形。即使机器人身体的控制机制没有腿够快的响应速度，也可以达到高的抵抗干扰的抗干扰能力。
在本发明的第五方面中，本发明控制腿式移动机器人的控制方法可以包括根据腿式移动机器人与行走表面之间的接触状态，修改ZMP状态空间的定义的步骤。
当地板表面作用在脚底上的地板反作用力发生改变时，根据腿式移动机器人与行走表面之间的接触状态赋予ZMP状态空间的空间形变得到动态控制。在任何状态下，都易于进行机器人身体的姿势控制，致使随着ZMP位置向外移动，产生使ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的机器人身体动量。
定义ZMP状态空间的步骤可以在ZMP状态空间中的任何点上指定极大点和/或极小点。定义ZMP状态空间的步骤可以在任何时候，在ZMP状态空间中的任何点上指定极大点和/或极小点。定义ZMP状态空间的步骤可以根据腿的支承状态，诸如单支承阶段的前一段、双支承阶段、和单支承阶段的后一段，在ZMP状态空间中的任何点上指定极大点和/或极小点。
在用腿作业中，机器人动态地生成根据机器人的瞬时改变步态容易进行姿势控制的、存在空间形变的ZMP状态空间。
从本发明的如下详细描述和附图中可以清楚地看到本发明的其它目的、特征和优点。
附图说明
图1示出了在机器人和行走表面在性质上非常接近固体的模型下，ZMP位置与机器人的动量之间的关系(机器人的ZMP状态空间)；
图2示出了当机器人和行走表面不是固体时，ZMP位置与机器人的动量之间的关系(也就是说，机器人的ZMP状态空间)；
图3是实施本发明的直立“人形化”或“人型”腿式移动机器人100的前部的透视图；
图4是实施本发明的直立“人形化”或“人型”腿式移动机器人100的后部的透视图；
图5示意性地显示了腿式移动机器人100的自由度；
图6示意性地显示了根据本发明一个实施例的腿式移动机器人100的控制系统配置；
图7显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的ZMP状态空间；
图8显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的另一个ZMP状态空间；
图9显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的另一个ZMP状态空间；
图10显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的另一个ZMP状态空间；
图11显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的另一个ZMP状态至间；
图12显示了在单支承阶段的后一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)直立左腿的ZMP状态空间的结构；
图13显示了在单支承阶段的后一段，沿着X方向(运动方向)直立左腿的ZMP状态空间的结构；
图14显示了在单支承阶段的后一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)直立左腿的ZMP状态空间的理想结构；
图15显示了在单支承阶段的后一段，沿着X方向(运动方向)直立左腿的ZMP状态空间的理想结构；
图16显示了在单支承阶段的后一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)躯干单元的ZMP状态空间的理想结构；
图17显示了在单支承阶段的后一段，沿着X方向(运动方向)躯干单元的ZMP状态空间的理想结构；
图18显示了在双支承阶段，沿着Y方向(与运动方向垂直)直立左腿的ZMP状态空间的结构；
图19显示了在双支承阶段，沿着X方向(运动方向)直立左腿的ZMP状态空间的结构；
图20显示了在双支承阶段，沿着Y方向(与运动方向垂直)直立左腿的ZMP状态空间的理想结构；
图21显示了在双支承阶段，沿着X方向(运动方向)直立左腿的ZMP状态空间的理想结构；
图22显示了在双支承阶段，沿着Y方向(与运动方向垂直)躯干单元的ZMP状态空间的理想结构；
图23显示了在双支承阶段，沿着X方向(运动方向)躯干单元的ZMP状态空间的理想结构；
图24显示了在单支承阶段的前一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)直立左腿的ZMP状态空间的结构；
图25显示了在单支承阶段的前一段，沿着X方向(运动方向)直立左腿的ZMP状态空间的结构；
图26显示了在单支承阶段的前一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)直立左腿的ZMP状态空间的理想结构；
图27显示了在单支承阶段的前一段，沿着X方向(运动方向)直立左腿的ZMP状态空间的理想结构；
图28显示了在单支承阶段的前一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)躯干单元的ZMP状态空间的理想结构；
图29显示了在单支承阶段的前一段，沿着X方向(运动方向)躯干单元的ZMP状态空间的理想结构；
图30是根据本发明一个实施例的、用在腿式移动机器人100中的左脚的上侧的外部透视图；
图31是根据本发明一个实施例的、用在腿式移动机器人100中的左脚的下侧的外部透视图；
图32是显示左脚外侧的侧视图；
图33是左脚的仰视图；
图34是左脚的正视图；
图35是左脚的俯视图；
图36是沿着图35中的直线A-A切开的剖视图；
图37是在弹性系数方面将脚底缓冲材料(内侧)405与脚底缓冲材料(外侧)404相比较的图形；
图38是在动量方面将脚底缓冲材料(内侧)405与脚底缓冲材料(外侧)404相比较的图形；
图39是脚座403的上表面的透视图；
图40是脚座403的下表面的透视图；
图41是脚座403沿着摇晃轴方向切开的剖视图；
图42显示了绕摇晃轴的刚度被设成高于绕俯仰轴的刚度的脚座403；
图43是根据本发明一个实施例的左脚的上侧的外部透视图；
图44是根据本发明一个实施例的左脚的下侧的外部透视图；
图45是根据本发明一个实施例的左脚的侧视图；
图46是根据本发明一个实施例的左脚的仰视图；
图47是根据本发明一个实施例的腿式移动机器人100的左右腿104每一个的放大图；
图48是显示图47所示的腿式移动机器人100的腿部单元的外侧(与脚的拱侧相反)的侧视图；
图49是显示图47所示的腿式移动机器人100的腿部单元的正视图；
图50是显示图47所示的腿式移动机器人100的腿部单元的内侧(脚的拱侧)的侧视图；和
图51是显示ZMP状态空间的控制系统500的功能的功能性方块图。
具体实施方式
下面参照附图讨论本发明的实施例。
A.机器人的构造
图3和图4显示了实施本发明的、在直立位置的“人形化”或“人型”腿式移动机器人100的前部和后部。如图所示，腿式移动机器人100包括躯干单元101、头部单元102、左右上肢单元103、用于行走的左右下肢单元104、和通常控制机器人身体的操作的控制器105。
的每一个都包括大腿、膝关节、小腿、脚踝、和脚，下肢单元104通过臀关节连接在躯干单元的下端附近。左右上肢单元103的每一个都包括上臂、肘关节和前臂，上肢单元103通过肩关节连接到躯干单元的左上侧和右上侧。头部单元102通过颈关节连接在躯干单元的上中部附近。
控制器105包括(主)控制单元，用于驱动构成腿式移动机器人100的每个致动器，和用于处理从传感器(以后讨论)、电源电路、和边缘设备输入的处理信号。控制器还可以包括用于遥控和通信设备的通信接口。在图3和图4所示的例子中，腿式移动机器人100背着控制器，但是，控制器的安装位置不受机器人的任何特定场所限制。
如此构成的腿式移动机器人100通过由控制器105进行的操作控制，以整体协调的方式双腿行走。这样的双腿行走通常通过重复划分成如下几个操作阶段的行走周期进行下去。
(1)右腿抬起左腿着地的单支承阶段；
(2)右腿也着地的双支承阶段；
(3)左腿抬起右腿着地的单支承阶段；
(4)左腿也着地的双支承阶段。
腿式移动机器人100的用腿控制是通过设计下肢单元的目标路径，和在上述每个阶段中修正设计路径来进行的。具体地说，在双支承阶段，中止校正下肢单元的路径，通过对设计路径使用总校正值的一个不变值校正臀部的高度。在单支承阶段，形成校正路径，以便使校正脚踝和臀部之间相对位置关系恢复回到设计路径上。具体地说，通过利用五阶多项式的内插计算进行校正，以便位置、速度和加速度都变成连续的，减少ZMP的偏差。
图5示意性地显示了腿式移动机器人100的自由度。如图所示，腿式移动机器人100是含有数个肢体的结构，包括两个手臂单元、一个头部单元、用于行走的下肢单元、和用于把手臂单元和头部单元与下肢单元连接的躯干单元。
用于支承单元1的颈关节拥有3个自由度，分别是颈关节摆动轴2、颈关节俯仰轴3、和颈关节摇晃轴4。
每只手臂拥有肩关节俯仰轴8、肩关节摇晃轴9、上臂偏转轴10、肘关节俯仰轴11、前臂偏转轴12、腕关节俯仰轴13、腕关节摇晃轴14、和手15。包括手指的手15实际上是多关节、多自由度结构。但是，由于手15的操作对姿势控制和用腿控制的贡献和影响并不大，假设手15的自由度为零。因此，每只手臂有7个自由度。
躯干单元拥有3个自由度，分别是躯干俯仰轴5、躯干摇晃轴6、和躯干摆动轴7。
形成每个下肢单元的每个腿部单元拥有臀关节摆动轴16、臀关节俯仰轴17、臀关节摇晃轴18、膝关节俯仰轴19、踝关节俯仰轴20、踝关节摇晃轴21、和脚22。尽管包括脚底的脚22实际上是多关节、多自由度结构，但是，假设与本实施例有关的腿式移动机器人100的脚底具有零自由度。因此，每只腿有6个自由度。
总之，本实施例的整个腿式移动机器人100拥有3+7×2+3+6×2＝32，即总共32个自由度。用于娱乐目的的腿式移动机器人不受32个自由度限制。取决于在设计和制造上的限制、和所要求的规格，在必要的时候，可以增加或减少自由度数，即关节数。
正如上面所讨论的，实际上，利用致动器安装腿式移动机器人100的每个自由度。为了满腿如下要求：生产模仿人体的、没有包含不自然凸部的机器人，和在双腿行走不稳定结构上进行姿势控制，每个致动器最好是既小又轻。本实施例应用了具有其中包含单芯片伺服机构的直接齿轮耦合型电机的类型的小型AC(交流)伺服致动器。转让给本发明的受让人的日本专利申请公布第2000-299970号(日本专利申请平11-33386号)公开了AC伺服致动器。
图6示意性地显示了根据本发明一个实施例的腿式移动机器人100的控制系统配置。如图所示，控制系统包括智能控制模块200，用于控制情绪的确定的感情的表达；和运动控制模块300，用于控制诸如每个致动器的驱动之类机器人的整体协调运动。
智能控制模块200包括计算和处理情绪确定和感情表达CPU(中央处理单元)211、RAM(随机存取存储器)212、ROM(随机只读存储器)213、和外部存储设备(诸如硬盘设备)214。智能控制模块200是以自主方式执行一个过程的独立驱动信息处理设备。
智能控制模块200响应诸如从视频输入设备251输出的可视数据和从语音输入设备25模块252输入的音频数据之类的外部刺激，决定腿式移动机器人100的当前感情和想法。并且，智能控制模块200根据决定的作出，向运动控制模块300发出命令，完成动作或行为序列，即，让肢体单元运动。
另一方面，运动控制模块300包括通常控制腿式移动机器人100的整体协调运动的CPU(中央处理单元)311、RAM(随机存取存储器)312、ROM(随机只读存储器)313、和外部存储设备(诸如硬盘设备)314。运动控制模块300是以自主方式执行一个过程的独立驱动信息处理设备。外部存储设备314可以存储在线计算的步态模式和ZMP目标路径、和其它动作设计。
运动控制模块300通过总线接口301与各种设备相连接，这些设备包括分布在腿式移动机器人100的整个身体上和实现各自的自由度的关节致动器(参见图5)、测量躯干单元的姿势和倾斜的姿势传感器351、检测左右脚底接触地面还是从地面抬起的地面接触传感器352和353、和管理诸如电池之类的电源的电源控制单元。
智能控制模块200和运动控制模块300被配置在同一平台上，相互之间通过总线接口201和301连接。
运动控制模块300响应智能控制模块200发出的命令，控制机器人身体通过关节致动器完成整体协调动作。具体地说，CPU 311从外部存储设备314中检索智能控制模块200发出的行为模式，内部生成行为模式。响应发出的行为模式，CPU 311设置腿部运动、ZMP路径、躯干运动、上肢运动、和臀部水平位置和高度，并且把响应设置和代表各自的动作的命令值发送到各个致动器。
并且，CPU 311一边从来自地面接触传感器352和353的输出信号中检测有关每只腿是抬起还是着地的每只腿的状态，一边从来自姿势传感器351的输出信号中检测腿式移动机器人100的躯干单元的姿势和倾斜。因此，CPU311自适应地控制腿式移动机器人100的整体协调运动。
CPU 311控制机器人的姿势和运动，以便ZMP位置向稳定ZMP区域的中心移动。
运动控制模块300把有关该过程的进程的数据，即，智能控制模块200确定的动作被按部就班地执行到什么样的程度的数据返回到智能控制模块200。
B.机器人的姿势控制
许多腿式移动机器人采用ZMP(零力矩点)作为行走的稳定确定准则。
ZMP的稳定性确定准则是基于“达朗伯原理”的，根据达朗伯原理，行走系统作用在行走表面上的重力和惯性力矩与行走表面反作用在行走系统上的地板反用作力和地板反作用力矩保持平衡。根据这个原理，在行走的任何瞬间，只要ZMP存在于脚和行走表面形成的支承多边形内，和只要机器人的压力作用在行走表面上，机器人就能稳定地行走，而不会跌倒(身体没有转动)。
利用ZMP作为稳定性确定准则的机器人的姿势控制需要搜索由脚底接触点和行走表面组成的支承多边形内俯仰轴力矩和摇晃轴力矩变成零的点。在根据ZMP稳定性确定准则生成双腿行走模式的过程中，事先设置脚底着地点是有利的，并且，对于行走表面的结构，脚趾的动力学限制状态易于考虑。由于ZMP用作稳定性确定准则意味着把路线而不是把力当作目标来对待，因此，提高了把ZMP用作稳定性确定准则的技术可行性。
正如在“技术背景”中已经讨论的，ZMP稳定性确定准则只用在机器人身体和行走表面在性质上非常接近固体的时候。也就是说，当机器人身体和行走表面非常接近固体的假设不成立时，随着机器人高速移动而作用在ZMP上的(平动)力和在支承腿的转换点上的冲力都很大，机器人本身也受动量或运动支配。如果不适当地处理机器人由施加在机器人上的力引起的动量，ZMP所在的空间就变得不稳定。虽然机器人的姿势满腿了ZMP准则，但是，由于要使不稳定ZMP变成稳定的，机器人姿势本身就变得不稳定了。
在ZMP位置已经偏离了稳定ZMP区域之后开始校正控制的后控制中，达不到腿够快的响应，抵抗干扰的抗干扰能力也不那么高。
本实施例在考虑到机器人身体的动量之后，采用含有稳定ZMP状态空间的机器人系统配置。ZMP状态空间通过ZMP位置和地面表面作用在机器人身体上的地板反作用力来定义。在本实施例中，把预定空间形变或预定特性事先赋予ZMP状态空间，以便在机器人身体中产生使机器人稳定的动量。
由于事先赋予空间形变使机器人的姿势稳定，而不是在ZMP位置的位移距离超过预定范围之后开始后校正控制，即使机器人身体的控制机制没有腿够快的响应，也能保证抵抗干扰的抗干扰能力很强。
应该注意到，关于机器人动量的方向，负方向定义为使空间在某种程度上变形，致使ZMP位置朝着稳定区域的边缘移动的方向，和正方向定义为使空间在某种程度上变形，致使ZMP位置朝着稳定区域的中心移动的方向。
图7显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的ZMP状态空间。
如图所示，ZMP状态空间由诸如抛物线或半圆形之类的非直线表示。尽管没有示出，在ZMP状态空间中可能含有不连续点和拐点。
由于对于存在于稳定ZMP区域附近中的ZMP位置，不会产生大的动量，机器人身体在那里不会丧失它的稳定姿势。
随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，机器人的动量沿着正方向增加。与此同时，空间形变起作用，把ZMP移向稳定区域的中心。因此，易于保持机器人身体的稳定姿势。
图8显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的另一个ZMP状态空间。
如图所示，ZMP状态空间由在稳定ZMP区域中间的直线段和与直线段的左右端相连接的非线性曲线段组成，其中，在直线段和曲线段的每一段之间包含着不连续点。尽管没有示出，可能还含有拐点。
由于对于存在于稳定ZMP区域附近中，即，在稳定ZMP区域的平直部分中的ZMP位置，不会产生大的动量，机器人身体在那里不会丧失它的稳定姿势。
当ZMP位置偏离平直区时，机器人的动量迅速增加。与此同时，使ZMP移回到稳定区域的中心的空间形变起作用，在没有正向运动控制的情况下，机器人身体的稳定姿势易于保持。
图9显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的另一个ZMP状态空间。
如图所示，ZMP状态空间由相连的数条直线段组成，并且包含数个不连续点。
对于存在于稳定ZMP区域中心附近中的ZMP位置，机器人的动量沿着正方向，与倾斜角相对较小的直线一致地，随到稳定ZMP区域中心的距离而逐渐增加。在到稳定ZMP区域中心的预定距离之后，机器人的动量沿着正方向，与倾斜角相对较大的直线一致地，随到稳定ZMP区域中心的距离而迅速增加。
如图所示，对于在稳定ZMP区域的中心附近中ZMP位置，相对弱的效应起作用，形成把ZMP移向稳定区域的中心的空间形变，而对于与稳定ZMP区域的中心相隔较远的ZMP位置，相对强的效应起作用，形成把ZMP移向稳定区域的中心的空间形变。在没有正向运动控制的情况下，机器人身体的稳定姿势易于保持。
图10显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的另一个ZMP状态空间。
如图所示，ZMP状态空间由非线性曲线组成，曲线的极小点在稳定ZMP区域的中心附近，和曲线的极大点接近稳定ZMP区域的边缘。
对于在这样的ZMP状态空间中左右极大点之间的ZMP位置，机器人的动量沿着正方向，随到稳定ZMP区域的中心的距离而增加。因比，可以实现机器人身体的姿势稳定性易于保持的稳定姿势模式。
对于左右极大点以外的ZMP位置，机器人的动量逐渐增加，和使ZMP位置移向稳定区域的中心的空间形变变小了。其结果是，机器人身体可能丧失它的稳定姿势，进入跌倒模式。
图11显示了代表机器人的动量与ZMP位置之间的关系的另一个ZMP状态空间。
如图所示，ZMP状态空间通过用数个不连续点连接数条直线组成。在稳定ZMP区域的中心附近，机器人的动量沿着负方向，以相对小的倾斜角，随到稳定ZMP区域的中心的距离而逐渐增加。在到稳定ZMP区域的中心的预定距离之后，机器人的动量变成水平的。
在这个ZMP状态空间中，机器人的动量只在稳定ZMP区域内的任何位置上，沿着负方向起作用。当ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心预定距离时，把ZMP移出稳定区域的空间形变变成不变的。因此，ZMP状态空间是不稳定的，但是对它的控制还是容易的。
现在考虑图3到图5所示的双腿腿式移动机器人100在其中行走的ZMP状态空间。在本实施例中，把空间形变赋予ZMP状态空间，以便ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心。响应地板反作用力产生机器人的动量，以便ZMP位置沿着使机器人身体稳定的方向移动。
图12和图13分别显示了在单支承阶段的后一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)和沿着X方向(运动方向)直立左腿的ZMP状态空间的结构。
参照图12，在单支承阶段的后一段，在沿着Y方向直立左腿的ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离机器人身体时，形成不再引起机器人动量的空间形变。其结果是，在作为支承腿的直立左腿中，弯曲度与ZMP位置沿着Y方向的位移量几乎成线性地减少。对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立左腿向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立左腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，虽然ZMP位置向外偏离机器人身体，但是直立左腿却变得难以向外弯曲。
假设机器人的总重量是100，当地板反作用力变成等于或大于100时，把它定义成“大”力。当地板反作用力在20到100的范围内时，把它定义为“中等”力，和当地板反作用力等于或小于20时，把它定义为“小”力(在如下的讨论中同样适用)。这只不过大致定一下，取决于机器人的结构和重量，这种划分是可以改变的。定性地说，“小地板反作用力”指的是在双支承阶段，当一只脚支承着机器人的几乎全部重量时，作用在另一只脚上的地板反作用力。
参照图13，在单支承阶段的后一段，在沿着X方向直立左腿的ZMP状态空间中，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，形成使机器人动量逐渐减少的空间形变。其结果是，在作为支承腿的直立左腿中，弯曲度与ZMP位置沿着X方向的位移量几乎成线性地减少。对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立左腿向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立左腿向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，不管ZMP位置向前还是向后移动，直立左腿都变得难以弯曲。
图14和图15分别显示了在单支承阶段的后一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)和沿着X方向(运动方向)直立左腿的理想ZMP状态空间的结构。
参照图14，在单支承阶段的后一段，在沿着Y方向直立左腿的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立左腿向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立左腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立左腿向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立左腿向内弯曲。
参照图15，在单支承阶段的后一段，在沿着X方向直立左腿的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立左腿向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立左腿向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立左腿向前弯曲。
图16和图17分别显示了在单支承阶段的后一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)和沿着X方向(运动方向)躯干单元的理想ZMP状态空间的结构。
参照图16，在单支承阶段的后一段，在沿着Y方向躯干单元的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向内弯曲。
参照图17，在单支承阶段的后一段，在沿着X方向躯干单元的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲。
图18和图19分别显示了在双支承阶段，沿着Y方向(与运动方向垂直)和沿着X方向(运动方向)直立左腿的ZMP状态空间的结构。
参照图18，在双支承阶段，在沿着Y方向直立左腿的ZMP状态空间中，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，形成的空间形变使机器人的动量减少。由于在双支承阶段，两只腿支承着机器人身体，因此，在ZMP状态空间中的刚度变得高于在单支承阶段的刚度，并且，空间形变小。其结果是，直立左腿的弯曲度与ZMP位置沿着Y方向的位移量几乎成线性地减少。对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立左腿向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立左腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，与ZMP位置相对于机器人身体向内还是向外移动无关，左腿被设计成难以弯曲。由于在双支承阶段，机器人被双只腿支承着，因此，弯曲度在双支承阶段小于在机器人被一只腿支承着的单支承阶段。
参照图19，在双支承阶段，在沿着X方向直立左腿的ZMP状态空间中，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，形成的空间形变使机器人的动量减少。由于在双支承阶段，两只腿支承着机器人身体，因此，在ZMP状态空间中的刚度变得高于在单支承阶段的刚度，并且，空间形变小。其结果是，直立左腿的弯曲度与ZMP位置沿着X方向的位移量几乎成线性地减少。对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立左腿向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，与ZMP位置相对于机器人身体向内还是向外移动无关，直立左腿被设计成难以弯曲。由于在双支承阶段，机器人被双只腿支承着，因此，弯曲度在双支承阶段小于在机器人被一只腿支承着的单支承阶段。
图20和图21分别显示了在双支承阶段，沿着Y方向(与运动方向垂直)和沿着X方向(运动方向)直立左腿的理想ZMP状态空间的结构。
参照图20，在双支承阶段，在沿着Y方向直立左腿的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。由于在双支承阶段，两只腿支承着机器人身体，因此，在ZMP状态空间中的刚度变得高于在单支承阶段的刚度，并且，空间形变小。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立左腿向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立左腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立左腿向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立左腿向内弯曲。由于在双支承阶段，机器人被双只腿支承着，因此，弯曲度在双支承阶段小于在机器人被一只腿支承着的单支承阶段。
参照图21，在双支承阶段，在沿着X方向直立左腿的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。由于在双支承阶段，两只腿支承着机器人身体，因此，在ZMP状态空间中的刚度变得高于在单支承阶段的刚度，并且，空间形变小。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立左腿向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立左腿向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立左腿向前弯曲。由于在双支承阶段，机器人被双只腿支承着，因此，弯曲度在双支承阶段小于在机器人被一只腿支承着的单支承阶段。
图22和图23分别显示了在双支承阶段，沿着Y方向(与运动方向垂直)和沿着X方向(运动方向)躯干单元的理想ZMP状态空间的结构。
参照图22，在双支承阶段，在沿着Y方向躯干单元的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。由于在双支承阶段，两只腿支承着机器人身体，因此，在ZMP状态空间中的刚度变得高于在单支承阶段的刚度，并且，空间形变小。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向内弯曲。
参照图23，在双支承阶段，在沿着X方向躯干单元的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。由于在双支承阶段，两只腿支承着机器人身体，因此，在ZMP状态空间中的刚度变得高于在单支承阶段的刚度，并且，空间形变小。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲。
图24和图25分别显示了在单支承阶段的前一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)和沿着X方向(运动方向)直立右腿的ZMP状态空间的结构。
参照图24，在单支承阶段的前一段，在沿着Y方向直立右腿的ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离机器人身体时，形成的空间形变不再引起机器人的动量。其结果是，在作为支承腿的直立右腿中，弯曲度与ZMP位置沿着Y方向的位移量几乎成线性地减少。对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向内移向机器人身体，右腿向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，右腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，虽然ZMP位置向外偏离机器人身体，但是直立右腿却变得难以弯曲。
参照图25，在单支承阶段的前一段，在沿着X方向直立右腿的ZMP状态空间中，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，形成的空间形变使机器人的动量逐渐减少。其结果是，在作为支承腿的直立右腿中，弯曲度与ZMP位置沿着X方向的位移量几乎成线性地减少。对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立右腿向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立右腿向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，不管ZMP位置向前还是向后偏离机器人身体，直立右腿都变得难以弯曲。
图26和图27分别显示了在单支承阶段的前一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)和沿着X方向(运动方向)直立右腿的理想ZMP状态空间的结构。
参照图26，在单支承阶段的前一段，在沿着Y方向直立右腿的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立右腿向外弯曲，和随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立右腿向内弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立右腿向内弯曲，和随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立右腿向外弯曲。
参照图27，在单支承阶段的前一段，在沿着X方向直立右腿的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立左腿向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立腿向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，直立左腿向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，直立左腿向前弯曲。
图28和图29分别显示了在单支承阶段的前一段，沿着Y方向(与运动方向垂直)和沿着X方向(运动方向)躯干单元的理想ZMP状态空间的结构。
参照图28，在单支承阶段的前一段，在沿着Y方向躯干单元的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向外弯曲，和随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向内弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向外偏离机器人身体，躯干单元向内弯曲，和随着ZMP位置向内移向机器人身体，躯干单元向外弯曲。
参照图29，在单支承阶段的前一段，在沿着X方向躯干单元的理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。其结果是，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向前偏离机器人身体，躯干单元向后弯曲，和随着ZMP位置向后偏离机器人身体，躯干单元向前弯曲。
C.ZMP状态空间的例子
在B部分中，根据机器人和行走表面在性质上非常接近固体的假设，从通过ZMP位置和地板反作用力定义的ZMP状态空间的角度讨论了不是只依赖于ZMP稳定性确定准则的、具有非常好姿势稳定性特征的机器人系统配置方法。
在这个部分中，将讨论在把空间形变赋予它，以便使机器人身体稳定的硬件下，应用ZMP状态空间的腿式移动机器人的结构。
C-1.利用脚部结构使其稳定的ZMP状态空间的形成
在这个部分中讨论的是与利用腿式移动机器人100的脚部结构把很容易使机器人身体稳定的空间形变赋予它的ZMP状态空间有关的一个实施例。
图30是根据本发明一个实施例的、用在腿式移动机器人100中的左脚的上侧的外部透视图。图31是左脚的下侧的外部透视图。图32到图35分别是显示左脚的侧视图(脚的外侧)、仰视图、正视图、和俯视图。图36是沿着图35中的直线A-A切开的剖视图。
在如下的讨论中，脚的“脚底”是脚的下表面，即，与行走表面接触的表面，和脚的“上”表面是与脚的“脚底”相反的那一个表面。脚的“内侧”对应于机器人身体的内侧(例如，左脚的右手侧，即，左脚的拱侧)，和脚的“外侧”对应于机器人身体的外侧(例如，左脚的左手侧，即，与左脚的拱侧相反的那一侧)。
参照图30和图31，脚包括脚座403、和覆盖在脚座403的上表面上的脚盖402。参照图36，为了轻便的目的，脚盖402被设计成中空结构。
安排在脚座403的上表面中央附近的是与可移动腿部单元和踝关节相连接的脚踝连接单元401。
脚座403、脚盖402、和脚踝连接单元401由超硬铝之类的轻质高硬度材料制成。
如图33所示，安排在脚座403的脚底的前后左右各部分上的是脚底缓冲材料(外侧)404、脚底缓冲材料(内侧)405、脚底缓冲材料(前侧)406、和脚底缓冲材料(后侧)407。这些缓冲材料404到407由尿烷人造橡胶之类具有预定弹性系数的弹性体制成。
从图32可以看出，脚底缓冲材料(外侧)404是凹状结构，两侧是凸部404-a，和中间是凹部404-b。同样，从图31可以看出，脚底缓冲材料(内侧)405也是两端凸出的凹状结构。因此，脚底在四个角上是凸出的。脚底缓冲材料(内侧和外侧)405和405每一个的凹部的深度大约是0.5mm。
当响应脚底落在行走表面上，施加反作用力时，机器人最初只被凸部404-a支承着，弹性系数小(也就是说，外力引起的形变大)。当凸部404-a被压下，达到与凹部404-b齐平时，机器人由脚的整个脚底支承着。弹性系数变大了(也就是说，外力引起的形变小)。
当缓冲材料404和405以这种方式由凹状结构构成时，缓冲材料与地板反作用力之类的负载之间的形变特性变成非线性的。例如，当像正常行走那样，地板反作用力小时，机器人只由脚底的四个角凸部支承着。当响应脚底着地施加的冲力，地板反作用力超过预定值时，机器人由安排在脚底上所有缓冲材料404-407支承着。脚与地面接触的特性发生了改变，从而适当地化解了冲力。
对于所使用的具有非线性特性的脚底缓冲材料，在刚与行走表面接触时，脚底缓冲材料首先开始变形。因此，要求它具有腿够的缓冲效应。随着形变继续进行下去，由于非线性特性，单位外加负载引起的形变减少了，并且，脚不再与可以导致脚不稳定的过分形变有关了。
根据本实施例，脚底缓冲材料(外侧)404和脚底缓冲材料(内侧)405在弹性方面是不同的。具体地说，如图37所示，脚底缓冲材料(外侧)404的弹性常数被设成大于脚底缓冲材料(内侧)405的弹性常数。其结果是，脚底缓冲材料(外侧)404和脚底缓冲材料(内侧)405每一个的形变在正常行走和冲力施加之间变成非线性的。脚底缓冲材料(内侧)405在非线性区中的形变大于脚底缓冲材料(外侧)404的形变。
由于这种脚底缓冲材料(外侧)404和脚底缓冲材料(内侧)405的形变特性之间的差异，当施加大的冲力时，脚底缓冲材料(内侧)405陷得较深。其结果是，安装在脚座403上的腿部单元(未示出)向内，即，朝着机器人身体的内侧(脚的拱侧)倾斜。通过向机器人身体的内侧移动机器人的ZMP位置，即，通过使抬起的那只腿着地，效果作用在扩大稳定ZMP区域的方向上。
对于所采用的如图30到图35所示的脚底结构，在ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。正如参照图14、图20和图26已经讨论过的那样，在单支承阶段的前一段、双支承阶段、和单支承阶段的后一段的每一个期间，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向内弯曲。其结果是，机器人姿势的稳定性和可控制性提高了(也就是说，姿势控制变得容易了)。
缓冲材料的非线性特性是通过把具有不同弹性系数的弹性体叠在一起，而不是在缓冲材料的横断面上安排一些凸部实现的。并且，通过改变要使用的缓冲材料的形状和面积，以及弹性系数，可以容易地把缓冲材料的形变特性设得在脚的内侧(拱侧)与脚的外侧(与拱侧相反的一侧)之间是不同的。
图39是脚座403的上表面的透视图。图40是脚座403的下表面的透视图。
如图所示，脚座403是由超硬铝之类的轻质高硬度材料制成的平面结构。
参照图39，脚底403在它的上表面上，含有分别在它的前侧和后侧的凹部(a)403-a和凹部(b)403-b。排列在凹部(a)403-a和403-b之间的凸部(d)403-d，凸部(d)403-d是脚踝连接单元的安装位置403-f。
参照图40，在脚座403的脚底的中央附近形成凹部(c)403-c，和凸部(e)403-e环绕着凹部(c)403-c。
图41是脚座403沿着摇晃轴方向(即，沿着机器人身体的纵向)切开的剖视图。如图所示，凹部403-a、403-b和403-c是通过降低脚座403的平面结构的厚度形成的，并且具有调整整个脚的刚度平衡的作用。
根据本发明，通过安排在脚座403(参见图42)的上侧的中间附近的、在两侧上在凹部403-a和403b之间的凸部403-d，绕摇晃轴的刚度被设成大于绕俯仰轴的刚度。
从图3和图4所示的机器人身体的整个结构可以看出，双腿腿式移动机器人100拥有横向(绕摇晃轴的方向)比行走方向，即，纵向(绕俯仰轴的方向)窄的ZMP范围。也就是说，机器人抵抗绕摇晃轴的干扰的抗干扰能力较弱，由于这个原因，对于绕摇晃轴，要求严格的控制精度。在本实施例中，使用图39到图41所示的脚座403的结构强化了摇晃轴的刚度。沿着横向抵抗干扰的抗干扰能力得到相当大提高。
图39到图41所示的脚底结构的使用引起空间形变，以便产生使ZMP位置移向ZMP状态空间中稳定ZMP区域的中心的机器人动量。正如参照图14、图20和图26已经讨论过的那样，在单支承阶段的前一段、双支承阶段、和单支承阶段的后一段的每一个期间，当ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向外弯曲。
对于为了使ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心而在ZMP状态空间中引起空间形变的机械结构，机器人姿势的稳定性和可控制性提高了。可以用相对长的采样间隔保持机器人身体的姿势稳定，因此，姿势控制变得容易了。
图43是根据本发明一个实施例的左脚的上侧的外部透视图。图44是同一只左脚的下侧的外部透视图。图45和图46分别是左脚的侧视图(脚的外侧)和仰视图。
参照图43和图44，脚包括脚座503和覆盖在脚座503的上表面的脚盖502。为了轻便的目的，脚盖402被设计成中空结构。安排在脚座503的上表面中央附近的是与可移动腿部单元和踝关节相连接的脚踝连接单元501。
与图39到图41所示的前一个实施例一样，脚座503由平面结构构成，在它的上表面和下表面的每一个含有至少一个凹部，并且，绕俯仰轴的刚度与绕摇晃轴的刚度之间的平衡得到了调整。绕摇晃轴的刚度被设得大于绕俯仰轴的刚度参见图43)。沿着横向抵抗干扰的抗干扰能力得到相当大提高。
脚座503、脚盖502、和脚踝连接单元501每一个的主体由超硬铝之类的轻质高硬度材料制成(与前一个实施例一样)。
从图44和图46可以看出，脚底缓冲材料(前内侧)504、脚底缓冲材料(前外侧)505、脚底缓冲材料(后内侧)506和脚底缓冲材料(后外侧)507被分别安排在脚座503的脚底的四个角上。沿着脚底的内缘(拱侧)安排单个脚底缓冲材料(中内侧)508，和沿着脚底的外缘安排两个脚底缓冲材料(中外侧)509-a和509-b。这些脚底缓冲材料504到509由尿烷人造橡胶之类具有预定弹性系数的弹性体制成。
从图45可以看出，安排在脚底内缘中间附近上的脚底缓冲材料(中内侧)508和安排在脚底外缘中间附近上的脚底缓冲材料(中外侧)509-a和509-b具有比其它脚底缓冲材料504-507低的高度。这个高度差达0.5mm。高度差使整个机器人的弹性变成非线性的(参见图37和图38)。
当响应脚底与行走表面的接触，行走表面的反作用力起作用时，机器人最初只被高度稍高的四个角上的脚底缓冲材料504到507支承着。弹性系数小(也就是说，外力引起的形变大)。当四个角上的脚底缓冲材料504到507变形，达到与脚底缓冲材料(中内侧)508和脚底缓冲材料(中外侧)509-a和509-b齐平时，机器人由所有缓冲材料504-509支承着。弹性系数变大了(也就是说，外力引起的形变变小)。
当四个角上的脚底缓冲材料504到507与安排在脚底内缘和外缘中间附近上的脚底缓冲材料508-509之间存在高度差时，缓冲材料与地板反作用力之类的负载之间的形变特性被设成非线性的。例如，当像正常行走那样，地板反作用力小时，机器人只由脚底的四个角凸部支承着。当响应脚底着地施加的冲力，地板反作用力超过预定值时，机器人由安排在脚底上所有缓冲材料504-509支承着。脚与地面接触的特性发生了改变，从而适当地化解了冲力。
对于所使用的具有非线性特性的脚底缓冲材料，在刚与行走表面接触时，脚底缓冲材料首先开始变形。因此，要求它具有腿够的缓冲效应。随着形变继续进行下去，由于非线性特性，单位外加负载引起的形变减少了，并且，脚不再与可以导致脚不稳定的过分形变有关了。
并且，根据本实施例，通过在脚底内缘中间附近的脚底缓冲材料508和脚底外缘中间附近的脚底缓冲材料509之间引入不同的个数，使脚底的内侧和外侧之间在弹性方面存在差异。具体地说，如图37所示，通过把脚底外侧上缓冲材料的个数设得多于脚底内侧上缓冲材料的个数，脚底外侧上缓冲材料的弹性系数被设成大于脚底内侧上缓冲材料的弹性常数。其结果是，脚底缓冲材料(外侧)509和脚底缓冲材料(内侧)508的形变在正常行走和冲力施加之间变成非线性的。参照图38，脚底缓冲材料(内侧)508在非线性区中的形变大于脚底缓冲材料(外侧)509的形变。
由于这种脚底缓冲材料(外侧)509和脚底缓冲材料(内侧)508的形变特性之间的差异，当施加大的冲力时，脚底缓冲材料(内侧)508陷得较深。其结果是，安装在脚座503上的腿部单元(未示出)向内，即，朝着机器人身体的中心方向倾斜。通过向机器人身体的内侧移动机器人的ZMP位置，即，通过使抬起的那只腿着地，效果作用在扩大稳定ZMP区域的方向上。
对于所采用的如图43到图46所示的脚底结构，在理想ZMP状态空间中，当地板反作用力小时，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，沿着负方向，即，沿着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心的方向，产生机器人的动量。随着地板反作用力越来越大，当ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心时，形成的空间形变使机器人的动量沿着正方向，即，沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动。正如参照图14、图20和图26已经讨论过的那样，在单支承阶段的前一段、双支承阶段、和单支承阶段的后一段的每一个期间，对于小的地板反作用力，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向内弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向外弯曲。随着地板反作用力越来越大，则反过来，随着ZMP位置向内移向机器人身体，直立腿向外弯曲，和随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向内弯曲。其结果是，机器人姿势的稳定性和可控制性提高了(也就是说，姿势控制变得容易了)。
缓冲材料的非线性特性是通过把具有不同弹性系数的弹性体叠在一起，而不是在缓冲材料的横断面上安排一些凸部实现的。并且，通过改变要使用的缓冲材料的形状和面积，以及弹性系数，可以容易地把缓冲材料的形变特性设得在脚的内侧(拱侧)与脚的外侧(与拱侧相反的一侧)之间是不同的。
根据本发明的这个实施例，借助于本发明的脚部的独特结构把稳定空间形变引入ZMP状态空间中。因此，应该注意到，机器人身体的姿势是利用采样间隔相对长的ZMP稳定性确定准则加以控制的。
C-2.利用腿部结构的稳定ZMP状态空间的形成
这个实施例涉及利用腿式移动机器人100的腿部单元的支架结构把空间形变赋予它，以便使机器人身体的姿势稳定的ZMP状态空间。
这个实施例采用了使左腿单元和右腿单元每一个的内侧和外侧在刚度上不同，即，把腿部单元的外侧支架的刚度(尤其在抗弯刚度方面)设得比腿部单元的内侧支架的刚度大的结构。
由于具有这样结构的腿部单元在ZMP状态空间中形成使ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的空间形变，机器人姿势的稳定性和可控制性提高了(也就是说，姿势控制变得容易了)。
即使出现意想不到的干扰，通过使机器人的ZMP位置难以移向机器人身体的外侧，即，与脚的拱部相反的一侧，机器人也易于避免跌倒(当然，利用机械结构)。
图47是根据本发明一个实施例的腿式移动机器人100的左右腿部部分604每一个的放大图。
如图所示，腿部单元604包括大腿单元611、小腿单元612、和脚613。
安排在大腿单元611上部附近的是臀关节摇晃轴致动器621和臀关节俯仰轴致动器622，用于把关节自由度赋予与躯干单元601有关的摇晃轴和俯仰轴。安排在大腿单元611末端附近的是膝关节俯仰轴致动器623，用于把关节自由度赋予与安排在它下面的小腿单元612有关的俯仰轴。
大腿单元611的内侧，即拱侧由内大腿板631支承着。大腿单元611的外侧，即与拱侧相反的那一侧由外大腿板632支承着。大腿单元611的前侧用前大腿板635盖住。内大腿板631和外大腿板632由超硬铝之类，相对轻质但硬的材料制成。
安排在小腿单元612下端的是踝关节俯仰轴致动器624，用于提供绕与脚613有关的俯仰轴的关节自由度。
小腿单元612的内侧，即拱侧由内小腿板633支承着。小腿单元612的外侧，即与拱侧相反的那一侧由外小腿板634支承着。小腿单元612的前侧用前小腿板636盖住。内小腿板633和外小腿板634由超硬铝之类，相对轻质但硬的材料制成。
图48到图50是从三个不同角度看过去腿式移动机器人100的腿部单元的图形，即腿的外侧视图(与拱侧相反的那一侧)、正视图和内侧视图(拱侧)。
从图49可以看出，在本实施例中，外大腿板632比内大腿板631厚(即，t1＞t2)。其结果是，外大腿板632的刚度(尤其是抗弯刚度)较大。类似地，外小腿板634比内小腿板633厚。外小腿板634的刚度(尤其是抗弯刚度)也较大。
借助于如图47到图50所示的、按照这种方式设置的腿部单元的内侧和外侧的机械强度，随着ZMP位置向外偏离稳定ZMP区域的中心，产生使机器人的动量沿着正方向，即沿着ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的方向移动的空间形变。正如参照图14、图20和图26已经讨论过的那样，在单支承阶段的前一段、双支承阶段、和单支承阶段的后一段的每一个期间，随着ZMP位置向外偏离机器人身体，直立腿向内弯曲。其结果是，机器人姿势的稳定性和可控制性提高了。可以用相对长的采样间隔保持机器人身体的姿势稳定，因此，姿势控制变得容易了。
就腿部单元604整体来说，它的结构具有外侧比内侧大的刚度(尤其是抗弯刚度)。即使出现意想不到的干扰，腿部单元604也可以自然地(即，没有任何控制)以这样的方式起作用，致使腿式移动机器人100的ZMP位置难以移向机器人身体的外侧，即，难以朝着与脚的拱侧相反的方向移动。
通过把腿部单元604的外侧支架的刚度设置得比内侧支架的刚度大，由于意想不到的干扰而使ZMP位置移向机器人身体的外侧，即，与拱侧相反的方向的位移量减少了。沿着腿部单元604易于控制的、朝着机器人身体的内侧，即拱侧的方向引导由于干扰引起的ZMP位移。因此，整个机器人600抵抗干扰的抗干扰能力相当大地提高了。
通过把拱侧上的刚度设置得相对低一些，具有位置控制功能的低成本致动器只进行牵涉到低冲力和小振动的腿部转换操作。在行走操作期间的图像处理变得容易了。其结果是，可以以非常低的成本生产具有自主功能的双腿腿式移动机器人系统或类人机器人。
为了使腿式移动机器人100的ZMP位置难以移向外侧，即与拱侧相反的那一侧，最好把腿部单元604外侧的刚度设置成是腿部单元604内侧的刚度的1.2倍。更可取地，最好把腿部单元604外侧的刚度设置成是腿部单元604内侧的刚度的1.5到2倍。
在图47到图50所示的实施例中，通过把侧板631到634的厚度做得不一样，引入腿部单元604的外侧和内侧之间的刚度差。本发明不限于这种安排。通过把形状做得不一样(表面形状和截面形状)和利用不同的材料(例如，可以使用弹性系数不同的材料)来做，也可以达到相同的效果。
根据本发明的这个实施例，借助于本发明的腿部单元的独特结构把稳定空间形变引入ZMP状态空间中。因此，应该注意到，机器人身体的姿势是利用采样间隔相对长的ZMP稳定性确定准则加以控制的。
D.ZMP状态空间的控制系统
在这个实施例中，运动控制模块300把ZMP用作姿势稳定性的确定准则，计算和处理机器人身体的姿势和操作的控制。定义ZMP状态空间，根据ZMP状态空间的定义确定稳定ZMP位置，然后，控制机器人身体的姿势和操作，以便ZMP位置不断移向稳定ZMP区域的中心。根据机器人与行走表面的接触状态，依次重新定义ZMP状态空间，把空间形变赋予ZMP状态空间，这样就可以保持稳定的姿势控制。
在这个部分中，详细描述ZMP状态空间的控制系统。
图51是显示ZMP状态空间的控制系统500的功能的功能性方块图。控制系统500实际上是在运动控制模块300中的CPU 311执行预定控制程序的时候具体化的。
如图所示，ZMP状态空间的控制系统500包括ZMP状态空间定义单元501和稳定点计算单元502。
一旦接收到与机器人的姿势有关的目标值和机器人的状态值，ZMP状态空间定义单元501就定义ZMP状态空间。在定义的ZMP状态空间中形成空间形变，以便产生使ZMP位置移向稳定ZMP位置的中心的机器人动量。
目标值可以包括根据设计路径计算出来的每个致动器的、转角、角速度、和角加速度。
例如，ZMP状态空间可以通过如下方程来定义。 U = Σ i α i · T → i + Σ i β i · B ( θ i · n → i ) + C · F → zmp + D · ZMP → + Σ i γ i B · θ · i · n → + Σ i γ i B θ · · i n → + . . .
此处，矢量T是根据设计路径确定的目标值。矩阵B、C和D是用于空间变换的那些矩阵。
上面ZMP状态空间的定义式以其最简形式描述了在B部分中讨论的ZMP状态空间的概念。上式由线性相加项组成，计算时最好考虑到干扰项。
在这个实施例中，ZMP状态空间定义单元501根据与行走表面的接触状态，动态地转换ZMP状态空间的定义。例如，腿式移动机器人在用腿动作中重复操作阶段，譬如，用左腿的单支承阶段、左腿着地的的双支承阶段、用右腿的单支承阶段、和右腿着地的双支承阶段。与行走表面的接触状态在每个操作阶段上都是动态改变的。通过依次转换ZMP状态空间的定义，在ZMP状态空间中形成空间形变，以便产生使ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的机器人动量。
稳定点计算单元502通过对ZMP状态空间的定义式求二阶微分，确定稳定ZMP区域的稳定点。根据计算的稳定点形成用于每个致动器的命令值，从而进行机器人身体的伺服控制。其结果是，获得将ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心的空间形变。
根据本发明，机器人的任何ZMP状态空间都是由运动控制模块300中CPU311执行的控制程序的描述定义的。
可以把ZMP状态空间中的极大点和极小点指定在任何点上。可以在任何时候把ZMP状态空间中的极大点和极小点指定在任何点上。取决于腿的支承状态，譬如，单支承阶段的后一段、双支承阶段、和单支承阶段的后一段，ZMP状态空间中的极大点和极小点可以被指定在任何点上。
通过在ZMP状态空间中设置极大点和极小点，可以动态地生成易于稳定控制姿势的、拥有空间形变的ZMP状态空间。
在本发明的上述实施例的每一个中，ZMP状态空间是利用ZMP位置和地板反作用力定义的。除了ZMP位置和地板反作用力之外，也可以利用施加在机器人身体上的外力的方向和大小定义ZMP状态空间。
附录
上面参照特定的实施例已经对本发明作了讨论。但是，显而易见，本领域的普通技术人员可以容易地对这些实施例进行改进和改变，而不偏离本发明的范围。
本发明的主题未必限于被称为“机器人”的产品。本发明同样可应用于通过电磁效应模仿人的行为的任何机器。例如，本发明可应用于其它工业领域中的产品，诸如玩具等。
本发明是借助于示范性实施例来公开的，但是，不应该把这些示范性实施例理解为是对本发明的范围的限制。在确定本发明的范围时，应该参照所附权利要求书。
工业可应用性
本发明提供了一种在用腿作业期间，利用所谓的ZMP(零力矩点)作为稳定性确定准则，适当地进行机器人的姿势控制的出色腿式移动机器人及其控制方法。
本发明还提供了一种利用采样间隔相对长的ZMP稳定性确定准则，适当地进行机器人的姿势控制的出色腿式移动机器人及其控制方法。
本发明还提供了一种形成使机器人能够在人的生活环境下，稳定地连续行走的ZMP状态空间的出色腿式移动机器人及其控制方法。
根据本发明，利用ZMP位置和地板表面作用在机器人身体上地板反作用力定义ZMP状态空间，根据ZMP状态空间的定义确定稳定ZMP位置，和把保持机器人姿势稳定性的命令发送到每个可动部件。响应与行走表面的接触状态，动态地控制赋予ZMP状态空间的空间形变，和生成机器人的动量，以便把ZMP位置不断地移向稳定ZMP区域的中心。从而，机器人身体的姿势控制变得容易了。
本发明还提供了腿式移动机器人的可移动腿部单元中的脚部结构，其中脚在着地受到行走表面的冲力被吸收了，要不然被破坏掉的稳定机器人姿势得到了恢复或稳定姿势的恢复变得容易了。
本发明还提供了一种无需只依赖于机器人身体的操作控制，容易地保持它的稳定姿势的出色腿式移动机器人。
本发明还提供了一种通过提高抵抗横向干扰的抗干扰能力，容易地保持它的姿势稳定性的出色腿式移动机器人。

Claims (59)

1.一种至少拥有两只可移动腿的腿式移动机器人，包括：
ZMP状态空间控制装置，用于控制通过机器人身体的俯仰轴力矩和摇晃轴力矩变成零的ZMP位置和地板表面作用在机器人身体上的地板反作用力定义的ZMP状态空间，
其中，ZMP状态空间控制装置事先把预定形变或预定特性赋予ZMP状态空间。
2.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，ZMP状态空间控制装置事先把形变赋予ZMP状态空间，以便随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，在机器人身体中产生动量，把ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心，其中稳定ZMP区域是由可移动腿的脚底的地接触点和行走表面形成的支承多边形。
3.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，预定特性是机器人的动量的大小或方向随地板反作用力而改变。
4.根据权利要求2所述的腿式移动机器人，其中，ZMP状态空间控制装置把机器人身体的动量设置成稳定ZMP区域的中心附近的极小点。
5.根据权利要求2所述的腿式移动机器人，其中，ZMP状态空间控制装置把机器人身体的动量设置成稳定ZMP区域中心附近的极小点，同时把机器人身体的动量设置成稳定ZMP区域边缘附近的极大点。
6.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，
以便机器人的动量在ZMP状态空间的负区域中具有极大值，和以便随着地板反作用力越来越大，机器人动量的极大值的ZMP位置沿着正方向移动。
7.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，
以便在ZMP状态空间的负区域中机器人的动量在稳定ZMP区域的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
8.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
9.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
10.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，
以便在ZMP状态空间的负区域中的机器人动量在稳定ZMP状态空间的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
11.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置从机器人身体向外移动的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，
以便在ZMP状态空间的负区域中的机器人动量在稳定ZMP状态空间的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
12.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在与运动方向垂直的方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
13.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在与运动方向垂直的方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
14.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的负方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，
以便机器人的动量在ZMP状态空间的负区域中具有极大值，和以便随着地板反作用力越来越大，机器人动量的极大值的ZMP位置沿着正方向移动。
15.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向前偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，
以便在ZMP状态空间的负区域中机器人的动量在稳定ZMP区域的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
16.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
17.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制装置把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
18.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，ZMP状态空间控制装置是每只可移动腿的脚部结构，脚部结构包括：
脚座，具有通常是平面的结构；
脚垫，位于脚座的脚底上，具有非简谐特性，刚开始时，形变相对较大，随后，形变相对较小；和
脚踝连接单元，位于脚座上表面的中央附近，用于将脚座与腿式移动机器人的可移动腿连接在一起。
19.根据权利要求1所述的腿式移动机器人，其中，ZMP状态空间控制装置是每只可移动腿的腿部结构，腿部结构包括：
至少一个关节致动器、用于实现可移动腿上的自由度；
具有第一刚度的内侧支承体，用于支承在腿式移动机器人身体内侧上的关节致动器；和
具有第二刚度的外侧支承体，用于支承在腿式移动机器人身体外侧上的关节致动器，第二刚度比第一刚度相对大一些。
20.一种用于至少含有数只可移动腿的腿式移动机器人的脚部结构，该脚部结构包括：
脚座，具有通常是平面的结构；
脚垫，位于脚座的脚底上，具有非简谐特性，刚开始时，形变相对较大，随后，形变相对较小；和
脚踝连接单元，位于脚座上表面的中央附近，用于将脚座与腿式移动机器人的可移动腿连接在一起。
21.根据权利要求20所述的用于腿式移动机器人的脚部结构，其中，脚垫由至少两种布置在脚座的脚底上的预定位置上的缓冲材料构成，其中，缓冲材料的高度是不同的。
22.根据权利要求20所述的用于腿式移动机器人的脚部结构，其中，缓冲材料位于脚座的脚底的内侧和外侧。
23.根据权利要求20所述的用于腿式移动机器人的脚部结构，其中，缓冲材料位于脚座的脚底的内侧和外侧，和其中，位于外侧的缓冲材料在刚度上要高于位于内侧的缓冲材料。
24.根据权利要求20所述的用于腿式移动机器人的脚部结构，其中，绕腿式移动机器人的摇晃轴的刚度被设得比绕腿式移动机器人的俯仰轴的刚度高。
25.根据权利要求20所述的用于腿式移动机器人的脚部结构，其中，通过在脚座的上表面和/或脚底的预定位置上形成一些凹部，把绕腿式移动机器人的摇晃轴的刚度设得比绕腿式移动机器人的俯仰轴的刚度高。
26.一种至少包括进行双腿作业的一对左右可移动腿部单元的腿式移动机器人，该可移动腿部单元包括：
至少一个关节致动器、用于实现可移动腿上的自由度；
具有第一刚度的内侧支承体，用于支承在腿式移动机器人身体内侧上的关节致动器；和
具有第二刚度的外侧支承体，用于支承在腿式移动机器人身体外侧上的关节致动器，其中，第二刚度比第一刚度相对大一些。
27.根据权利要求26所述的腿式移动机器人，其中，就抗弯刚度而言，第二刚度高达第一刚度的1.2倍。
28.根据权利要求26所述的腿式移动机器人，其中，第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过把内侧支承体和外侧支承体的厚度做得不一样来实现。
29.根据权利要求26所述的腿式移动机器人，其中，第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过把内侧支承体和外侧支承体的形状做得不一样来实现。
30.根据权利要求26所述的腿式移动机器人，其中，第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过分别用机械强度不同的材料制成内侧支承体和外侧支承体来实现。
31.根据权利要求26所述的腿式移动机器人，其中，可移动腿的关节的自由度至少包括绕臀部摇晃轴的自由度和绕膝部摇晃轴的自由度。
32.一种左右成对地用在进行用腿作业的腿式移动机器人中的可移动腿部单元，该可移动腿部单元包括：
至少一个关节致动器，用于实现可移动腿上的自由度；
具有第一刚度的内侧支承体，用于支承在腿式移动机器人身体内侧上的关节致动器；和
具有第二刚度的外侧支承体，用于支承在腿式移动机器人身体外侧上的关节致动器，第二刚度比第一刚度相对大一些。
33.根据权利要求32所述的用于腿式移动机器人的可移动腿部单元，其中，就抗弯刚度而言，第二刚度高达第一刚度的1.2倍。
34.根据权利要求32所述的用于腿式移动机器人的可移动腿部单元，其中，第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过把内侧支承体和外侧支承体的厚度做得不一样来实现。
35.根据权利要求32所述的用于腿式移动机器人的可移动腿部单元，其中，第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过把内侧支承体和外侧支承体的形状做得不一样来实现。
36.根据权利要求32所述的用于腿式移动机器人的可移动腿部单元，其中，第一刚度与第二刚度之间的差异可以通过分别用机械强度不同的材料制成内侧支承体和外侧支承体来实现。
37.根据权利要求32所述的用于腿式移动机器人的可移动腿部单元，其中，可移动腿的关节的自由度至少包括绕臀部摇晃轴的自由度和绕膝部摇晃轴的自由度。
38.一种用于控制至少拥有两只可移动腿的腿式移动机器人的方法，该方法包括：
ZMP状态空间控制步骤，用于控制通过机器人身体的俯仰轴力矩和摇晃轴力矩变成零的ZMP位置和地板表面作用在机器人身体上的地板反作用力定义的ZMP状态空间，
其中，ZMP状态空间控制步骤事先把预定形变或预定特性赋予ZMP状态空间。
39.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，ZMP状态空间控制步骤事先把形变赋予ZMP状态空间，以便随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，在机器人身体中产生动量，把ZMP位置移向稳定ZMP区域的中心，其中稳定ZMP区域是由可移动腿的脚底的地接触点和行走表面形成的支承多边形。
40.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，预定特性是机器人的动量的大小或方向随地板反作用力而改变。
41.根据权利要求39所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，ZMP状态空间控制步骤把机器人身体的动量设置成稳定ZMP区域的中心附近的极小点。
42.根据权利要求39所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，ZMP状态空间控制步骤把机器人身体的动量设置成稳定ZMP区域中心附近的极小点，同时把机器人身体的动量设置成稳定ZMP区域边缘附近的极大点。
43.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，
以便机器人的动量在ZMP状态空间的负区域中具有极大值，和以便随着地板反作用力越来越大，机器人动量的极大值的ZMP位置沿着正方向移动。
44.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，
以便在ZMP状态空间的负区域中机器人的动量在稳定ZMP区域的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
45.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
46.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在单支承阶段的后一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
47.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在双支承阶段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，
以便在ZMP状态空间的负区域中的机器人动量在稳定ZMP状态空间的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
48.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置从机器人身体向外移动的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在双支承阶段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，
以便在ZMP状态空间的负区域中的机器人动量在稳定ZMP状态空间的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
49.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在与运动方向垂直的方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
50.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在与运动方向垂直的方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在双支承阶段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
51.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的负方向是ZMP位置向外偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，
以便机器人的动量在ZMP状态空间的负区域中具有极大值，和以便随着地板反作用力越来越大，机器人动量的极大值的ZMP位置沿着正方向移动。
52.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在由第一坐标轴和第二坐标轴组成的ZMP状态空间中，第一坐标轴的正方向是ZMP位置向前偏离机器人身体的方向，和第二坐标轴的正方向是机器人的动量使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的方向，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，
以便在ZMP状态空间的负区域中机器人的动量在稳定ZMP区域的中心附近具有极大值，和以便机器人动量的改变随着地板反作用力增大而减少。
53.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予直立腿，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
54.根据权利要求38所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，在与运动方向垂直的方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量，和
其中，在运动方向中，在单支承阶段的前一段，ZMP状态空间控制步骤把空间形变赋予躯干单元，以便当地板反作用力小时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置沿着偏离稳定ZMP区域的中心的方向移动的机器人动量，和以便当地板反作用力越来越大时，随着ZMP位置偏离稳定ZMP区域的中心，产生使ZMP位置朝着稳定ZMP区域的中心移动的机器人动量。
55.一种用于控制至少拥有两只可移动腿的腿式移动机器人的方法，该方法包括通过机器人身体的俯仰轴力矩和摇晃轴力矩变成零的ZMP位置和通过地板表面作用在机器人身体上的地板反作用力定义ZMP状态空间的步骤；
根据ZMP状态空间的定义确定稳定ZMP位置的步骤；和
根据确定的稳定ZMP位置控制机器人身体的操作的步骤。
56.根据权利要求55所述的用于控制腿式移动机器人的方法，还包括根据腿式移动机器人与行走表面之间的接触状态，修改ZMP状态空间的定义的步骤。
57.根据权利要求55所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，定义ZMP状态空间的步骤在ZMP状态空间中的任何点上指定极大点和/或极小点。
58.根据权利要求55所述的用于控制腿式移动机器人的方法，其中，定义ZMP状态空间的步骤在任何时候，在ZMP状态空间中的任何点上指定极大点和/或极小点。
59.根据权利要求55所述的用于控制腿式移画机器人的方法，其中，定义ZMP关态空间的步骤根据腿的支承状态，在ZMP状态空间中的任何点上指定极大点和/或极小点。
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