CN1487469A - 人型连杆系统的运动生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明在于以来自直感简单的接口的输入为基础交互地生成多自由度的人型模型或类人机器人等的人型连杆系统可实现的运动。设定固定的连杆、关节可动区域及关节目标值，当由操纵杆等指定特定的连杆的轨道时，在人型连杆系统的关节的只从运动学性的约束条件计算的目标关节加速度由根据逆动力运动学计算的外力的妥当性判断判断为不可能实现时，通过追加考虑了动力学的新的约束条件来计算关节加速度、或通过使其联立地解用表示作用于连杆的力与由其产生的加速度的关系的操作空间逆惯性矩阵被定型化了的动力学性的约束条件和运动学性的约束条件生成人型连杆系统的关节的在力学上可实现的运动。

Description

人型连杆系统的运动生成方法
技术领域
本发明涉及一种具有与生成人类类似的构造的连杆系统(人型连杆系统)的力学性地可实现的运动的方法，本发明的方法可以使用于类人机器人用运动生成软件、类人机器人用实时控制装置、或计算机制图技术用动作生成软件。
背景技术
计算机制图技术(CG)中的人型模型或类人机器人(人型机器人)因为具有两腿行走那样的极不稳定的运动形态，其由从地板等的环境接受的借助力和自身的关节产生的力矩可实现的运动有限制。因此，在类人机器人中，如果可以预先生成力学性地可实现的运动，则其实机的控制容易。而且在CG动画片的领域中，通过物理性地自动生成自然的运动可以轻松地生成自然的动画片。
例如，在类人机器人的运动生成中，如果可以保证相对于理想的模型力学性地实现其运动，则其控制变容易，因此，其优点大。但是多数的类人机器人由于具有许多的关节，操作的变速多，操作复杂，由于计算量多，具有实时处理难等的课题。
作为现有技术，具有为了以函数表示可以力学性地实现运动而调整参数的方法(参照Q.Huang，K.Kaneko，K.Yokoi，S.Kajita，and T.Kotok u：“Balance Control of a Biped Robot Combining Off-linePattern with Rea l-time Modification”(由脱机生成的运动图形和实时的图形修正产生的两脚步行机器人的平衡控制)、Proceedings ofInternation al Conference on Robotics and Automation，pp.3346-3352，2000.及K.Nishiwaki，T.Sugihara，S.Kagami，M.Inaba，and H.Inoue：“Online Mixt ure and Connection of Basic Motions for HumanoidWalking Control by Foot print Specification”(通过混合基本步行图形通过指定的着地点、且实时生成力学性地可实现的步行运动的方法)Proceedings of IEEE International Conference on Robities andAutomation，pp.4110-4115，2001.参照)、和以运动捕获数据为基础生成可力学性地运动的方法(参照K.Yamane and Y.Nakamura：“Dynamics Filter-Concept and Implementation of On-Line MotionGenerator for Human Figures”(从满足运动方程式的运动中实时选择与被运动捕获的运动尽可能接近的运动来生成力学性地可实现的运动)，Proceedings of IEEE International Conference on Robotics andAutomation，pp.688-695，2000.及A.DasGupta and Y.Nakamura：“Making Feasible Walking Motion of Humanoid Robots from HumanMotion Captured Data”(通过在被运动捕获的步行运动上增加由傅里叶级数表示的修正项来生成力学上可实现的运动)，Proceedings ofInternational Conference on Robotics and Automation，pp.1044-1049，1999.)等。
但是，这些方法存在以下的问题。
(1)只能生成特定种类的运动。
(2)运动是人工性的运动。
(3)计算时间长。
(4)参数调整难。
(5)需要参照运动数据。
(6)没有交互性。
另外，在本申请的发明者先前以发明申请2001-242435号申请的相关发明“生成木构造连杆系统的姿势及动作的方法”中虽然可以没有参照没有参数地生成运动，但是在该方法中完全没有考虑力学，因此有可能生成物理上不会有的运动。
因此，本发明的目的是以来自直感上简单的接口的输入为基础交互(双向地)地生成多自由度的人型模型或类人机器人等的人型连杆系统可实现的运动，具体地讲是提供一种通过满足由操作者给予的：
(A)固定连杆的绝对位置。
(B)不脱离设定了关节值的可动区域。
(C)尽可能与设定了关节值的目标关节值接近。等的运动学性的约束，人型连杆系统的被指定的一个或多个连杆由在由某个接口给予的轨道上运动、而且可以实时地生成人型连杆系统可力学性实现的全身运动的方法。在此，所谓的力学性地可实现指的是其运动可由关节的驱动力和从地板等的环境接受的接触力可实行。
发明内容
有利地实现上述目的的本发明的人型连杆系统的运动生成方法，在第一技术方案记载的方案中，在人型连杆系统的关节的、只从运动学性的约束条件计算的目标关节加速度由根据逆动力学计算的外力的妥当性判定判定为不能实现时，通过追加考虑了动力学的新的约束条件再计算关节加速度，生成力学性地可实现的运动。
在本发明的第二技术方案中，其特征在于，通过使其联立地解使用表示作用于连杆的力和由其产生的加速度的关系的操作空间逆惯性矩阵定型化的动力学性的约束条件和运动学性的约束条件，生成人型连杆系统的关节的、力学性地可实现的运动。
即，本发明具有当逐次地输入运动学性的约束条件和一个或多个连杆的轨道时，实时地输出具有与人类类似的关节构成的连杆系统可实现的运动的运动生成引擎，图1表示使用实行本发明的方法的运动生成引擎构筑类人机器人的运动生成系统时的构成例。该系统，除了例如由电子计算机构成的上述运动生成引擎之外，还具有用于固定的连杆(因为抓住固定在环境上的物体而不能活动等)、关节可动区域及设定关节目标值的接口，可以由操纵杆等指定特定的连杆的轨道。其信息输入到运动生成引擎，被生成的运动给予机器人。另外，由安装在机器人上的传感器读取的现在的状态返回到运动生成引擎，用于下一步的运动生成。
上述运动生成引擎使用以下的两个方法中的任何一个方法，生成同时满足从外部给予的运动学性的约束和从模型的质量特性给予的动力学性的约束的运动。
(a)根据运动力学计算的方法：暂时由运动学性约束计算理想的运动，由逆动力学计算获得的接触力判定上述运动是否在力学上可实现。在不能实现时，为了使其可实现而修正运动。
(b)由操作空间逆惯性矩阵产生的方法：由表示作用于连杆系统中的任意连杆上的力与由其产生加速度的关系的操作空间逆惯性矩阵导出包括作用于连杆间的力的影响在内的约束条件，同时解开其和运动学性的约束条件来计算运动。
根据这样的方法及运动生成系统，与上述的相关发明“生成木构造连杆系统的姿势及动作的方法”同样，只给予直感地容易理解的运动学性的约束生成力学上可实现的运动，因此可以以单纯的接口交互地获得人型连杆系统的全身的运动。而且，由于使用了高速地进行动力学计算的算法，因此可以以接近于实时的速度生成人型连杆系统的动作。
附图说明
图1是表示使用执行本发明的人型连杆系统的运动生成方法的运动生成引擎构筑类人机器人的运动生成系统时的构成例的说明图。
图2是表示成为在本发明的人型连杆系统的运动生成方法中使用的接口的基础的相关发明“生成木构造连杆系统的姿势及动作的方法”的概要的说明图。
图3是表示在本发明的人型连杆系统运动生成方法中判断压力中心点是否在接触区域的凸包内的方法的说明图。
图4是表示在本发明的人型连杆系统生成方法中成为计算操作空间逆惯性矩阵的基础的接触力与连杆加速度的说明图。
具体实施方式
以下，根据附图详细说明本发明的实施例。首先，表示成为在本发明的人型连杆系统的运动生成方法中使用的接口的基础的上述相关发明“生成木构造连杆系统的姿势和动作的方法”的概要。在该方法中，如图2所示，当将人型连杆系统的若干个连杆(在图中为连杆a、b、c)固定在空间中，同时指示另外的连杆(在图中是d)的轨道时，生成满足固定连杆的约束并在轨道上运动的全身运动。不仅可以给予连杆的位置，而且还可以给予关节可动区域或关节目标值的约束。但是，在该方法中由于没有考虑运动学性的约束条件，有时生成力学上不自然的运动。
在本发明中，在上述相关发明中使用的运动学性的约束之上，还同时考虑到了连杆的质量及惯性矩、关节力矩、接触力等的动力学性的约束，由此生成力学可实现的运动。作为计算动力学性的约束条件的方法由如下两种：
[A]基于逆动力学计算的方法
[B]根据操作空间逆惯性矩阵的方法
以下对其分别进行详细说明。
[A]基于逆动力学计算的方法
在该方法中，通过避开花费时间的顺动力学计算，进行比较高速的逆动力学计算，从而实现高速的计算。其步骤如下：
(a)计算满足运动学性的约束条件所需要的目标关节加速。即，与上述的相关发明的只考虑运动学性的约束条件的方法相同，从现在的状态和约束条件之差计算为了满足约束条件各关节应该产生的关节加速度。
(b)进行逆动力学计算，计算在上述(a)中计算的目标关节速度所需要的从地板等接受到的外力。即，使用牛顿·欧拉法等的逆动力学计算法计算产生目标关节速度所需要的外力。
(c)调查在上述(b)中计算的外力作为接触力是否妥当。成为妥当性判定的基准的是以下三点。
(1)铅直方向的力是否成为反弹力。是因为接触力不能向将连杆拉向地板的方向作用。
(2)压力中心点是否在接触区域的凸包内。如图3所示，是因为需要在两脚F的脚心相对于地板的接触领域的凸包R中包含压力中心点P。
(3)摩擦力是否是最大静止摩擦力以下(不打滑时)。是因为为了维持没有打滑的状态，摩擦力需要是在垂直反作用力上乘以静止摩擦系数而得到的最大静止摩擦力以下。
(d)在上述(c)中判断为是妥当的情况下，将目标关节加速度原样不变地作为关节加速度。
(e)在上述(c)中判断为是不妥当时，求与其外力最接近而且妥当的外力，将外力成为其被修正的值作为新的约束条件进行追加，再一次进行上述步骤(a)。而且将在新的约束条件之下计算的目标关节加速度作为关节加速度。
外力的修正如下地进行。
(1)在铅直方向的力是牵拉方向时，将铅直方向的力作为零。
(2)在压力中心点处于接触区域的凸包之外时，将接触区域的凸包中的与被计算的压力中心点最接近的点作为新压力中心点。
(3)在摩擦力超过了最大静止摩擦力时，将最大静止摩擦力作为新的摩擦力。
当将被修正的外力作为【外1】 时，关节加速度【外2】 应满足的约束条件如下式。
【数1】
在此，上述Mb、cb、Jcb分别表示人型连杆系统的惯性矩阵、速度·重力项、接触点的坐标变换矩阵中的与机器人的腰关节对应的成分，Mb、cb通过反复进行逆动力学计算可以高速地进行计算。
(f)积分由上述(d)或(e)获得的关节加速度来获得关节角度及关节速度。
[B]根据操作空间逆惯性矩阵的方法
在该方法中，利用表示人型连杆系统的作用于注目的连杆上的力和其运动关系的操作空间逆惯性矩阵。该矩阵通过使用本发明人先前以专利申请2001-228804号中申请的相关发明“连杆系统动力学高速计算法”可以高速地进行计算。步骤如下。
(a)计算操作空间逆惯性矩阵。
所谓操作空间逆惯性矩阵如图4所示是表示接触力与作为其结果产生的连杆加速度的关系的矩阵。
即，当将位置被约束着的连杆i的操作空间逆惯性矩阵作为
【外3】
Ai时，在考虑接触前的加速度【外4】 与考虑了接触后的加速度【外5】
Figure A0310382300092
与接触力fc之间具有以下的关系。
【数2】
Figure A0310382300093
该矩阵可以通过使用上述的相关发明“连杆系统动力学高速计算法”的方法高速地进行计算。
(b)计算表示关节加速度与未考虑接触时的约束点的加速度的关系的矩阵。
在上述(a)中使用的【外4】由于由关节的运动产生的惯性力进行变化。在此使用的矩阵Φi将此作为【外4】与关节加速度【外2】的关系如下地进行表现。
【数3】
在此，φi表示关节加速度为零时的连杆i的加速度。
(c)作为接触点有弹簧或缓冲器计算来自地板等的接触力。
在接触点m处的潜入深度为dm、其速度为um时，接触力fm如下地进行计算。
【数4】
fm＝kSdm+kDum
在此，kS、kD分别是弹簧、缓冲器的系数。当对于全部的接触点取fm之和时，获得全体的接触力fC。
(d)使用在上述(a)(b)中计算的两个矩阵及在上述(c)中的计算的接触力导出表示关节加速度与被给予了轨道的连杆及绝对位置被约束的连杆的加速度关系的式子。
即，从(a)(b)的式子消去【外4】进行整理时，获得下式。
【数5】
该式给予连杆的加速度【外5】与关节加速度【外2】的关系。
对于位置被约束着的连杆及被给予了轨道的连杆，由于计算了用于将各连杆向目标位置运动的目标加速度【外6】 因此，将【外5】置换为了【外6】的式子成为考虑了动力学的约束条件。
(e)将在上述(d)中计算的式子及目标关节值等的其它的运动学性的约束式作为连立方程式解，获得关节加速度。
对于关节可动区域和目标关节值，目标加速度作为关节加速度的目标值【外7】
Figure A0310382300103
给予，通过同时解该条件与(d)的约束条件，获得满足动力学与运动学双方的约束条件的关节加速度。
(f)积分在上述(e)获得的关节加速度来获得关节角度及关节速度。

Claims (2)

1.一种人型连杆系统的运动生成方法，其特征在于，在人型连杆系统的关节的、只从运动学性的约束条件计算的目标关节加速度由根据逆动力学计算的外力的妥当性判定判定为不能实现时，通过追加考虑了动力学的新的约束条件再计算关节加速度，生成力学性地可实现的运动。
2.一种人型连杆系统的运动生成方法，其特征在于，通过使其联立地解使用表示作用于连杆的力和由其产生的加速度的关系的操作空间逆惯性矩阵被定型化了的动力学性的约束条件和运动学性的约束条件，生成人型连杆系统的关节的、力学性地可实现的运动。
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