DE60012458T2

DE60012458T2 - Auf Beinen laufende Roboter und Verfahren für ihre Steuerung

Info

Publication number: DE60012458T2
Application number: DE60012458T
Authority: DE
Inventors: Yuichi Shinagawa-ku Hattori; Tatsuzo Shinagawa-ku Ishida; Jinichi Yamaguchi
Original assignee: Yamaguchi Jinichi Hino; Sony Corp
Current assignee: Yamaguchi Jinichi Hino; Sony Corp
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 2000-11-23
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: US20030036818A1; US6463356B1; US7013201B2; US20040162636A1; EP1466817B1; EP1466817A2; EP1466817A8; US6832131B2; EP1103450B1; KR20010051881A; JP2001150370A; DE602004024155D1; CN1297805A; EP1466817A3; CN1275742C; EP1103450A1; DE60012458D1; KR100695355B1; JP3555107B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft auf Beinen laufende Roboter und Verfahren zum Steuern ihres Betriebs, beispielsweise, diejenigen, welche einen realistischen Robotermechanismus aufweisen, der als Ergebnis einer Nachbildung des Betriebs und des Mechanismus eines lebenden Körpers aufgebaut ist, beispielsweise eines Menschen oder eines Affen.
Ein Roboter ist eine mechanische Einrichtung, welche die Bewegung eines Menschen nacheifert, wobei von elektrischen und magnetischen Aktionen Gebrauch gemacht wird. Der Begriff Roboter ist von dem slawischen Wort ROBOTA (slavish machine) hergeleitet. In Japan begann die Verwendung von Robotern am Ende der 60iger Jahre, wobei viele davon industrielle Roboter waren, beispielsweise Handhabungsroboter und Transportroboter, die beispielsweise dazu verwendet wurden, um industrielle Arbeit in Fabriken ohne die Anwesenheit von Menschen zu automatisieren.
In den vergangenen Jahren wurde ein Fortschritt bei der Forschung und Entwicklung von auf Beinen laufenden Robotern gemacht, welche die Bewegungen und die Mechanismen des Körpers eines Lebewesens nacheifern, beispielsweise eines Menschen oder Affen, der auf zwei Füßen läuft, während er in einer aufrechten Position ist, so dass es eine höhere Erwartung gibt, diese der praktischen Verwendung zuzuführen. Die Position und das Laufen von mit Beinen versehenen mobilen Robotern, welche auf zwei Füßen laufen, während sie in einer aufrechten Lage sind, ist jedoch instabiler als kriechende Roboter oder Roboter, welche vier oder sechs Beine haben, so dass es schwieriger ist, diese zu steuern. Die mit Beinen versehenen Roboter, welche auf zwei Füßen laufen, während sie in einer aufrechten Position sind, sind ausgezeichnete Roboter dahingehend, dass sie sich bewegen können und flexibel arbeiten können, da sie längs von nichtebenen Flächen laufen können, beispielsweise auf nicht ebenen Flächen und Arbeitswegen, welche beispielsweise Hindernisse haben, und längs Flächen laufen, die nicht fortlaufend sind, beispielsweise auf Stufen und Leitern nach oben und nach unten.
Auf Beinen laufende Roboter, welche die Mechanismen und die Bewegungen menschlicher Körper nacheifern, werden als menschenähnliche Roboter bezeichnet. Menschenähnliche Roboter können beispielsweise Leuten im Leben helfen, d.h., ihnen bei verschiedenen menschlichen Aktivitäten in lebenden Umgebungen und verschiedenen Umgebungen im täglichen Leben helfen.
Die Bedeutung zum Ausführen von Forschung und Entwicklung bezüglich menschenähnlicher Roboter kann man beispielsweise aus den folgenden beiden Gesichtspunkten her verstehen.
Der erste Gesichtspunkt bezieht sich auf die menschliche Wissenschaft. Insbesondere durch den Prozess zum Herstellen eines Roboters, dessen Struktur, welche ähnlich einer Struktur ist, welcher untere Gliedmaßen und/oder obere Gliedmaßen von Menschen hat, das Ausdenken eines Verfahrens, um diese zu steuern und das Gehen eines Menschen zu simulieren, kann der Mechanismus der natürlichen Bewegung eines Menschen, beispielsweise das Gehen, ergonomisch verstanden werden. Die Ergebnisse dieser Forschung können wesentlich zur Entwicklung anderer verschiedener Forschungsgebiete beitragen, welche menschliche Bewegungsmechanismen, beispielsweise Ergonomie, Rehabilitierungstechnik und Sportwissenschaft handhaben.
Der andere Gesichtspunkt bezieht sich auf die Entwicklung von Robotern als Partner menschlicher Wesen, welche diesen im Leben helfen, d.h., diesen in verschiedenen menschlichen Aktivitäten in lebenden Umgebungen und bei verschiedenen Umständen im täglichen Leben. Funktionsmäßig benötigen bei verschiedenen Merkmalen der lebenden Umgebung von Menschen diese Roboter, dass sie durch Lernmethoden weiter entwickelt werden, damit sie sich an Umgebungen anpassen und gemäß Menschen arbeiten, die unterschiedliche Persönlichkeiten und Eigenschaften haben, wobei sie durch Menschen unterrichtet werden. Man glaubt, wenn man die Form und den Aufbau eines Roboters gleich denen eines Menschen macht, dies für eine allmähliche Kommunikation zwischen Menschen und Robotern effektiv ist.
Wenn beispielsweise einem Roboter ein Weg zum Laufen durch einen Raum unter Vermeidung von Hindernissen gelehrt wird, auf die er nicht laufen sollte, ist es für den Benutzer (Arbeiter) viel leichter, dieses einem auf zwei Füßen laufenden Roboter zu lehren, der die gleiche Form wie der Benutzer hat, als einem Roboter, der krabbelt oder einem Roboter mit vier Füßen, die vollständig unterschiedliche Strukturen gegenüber dem Benutzer haben. In diesem Fall muss es auch für den Roboter leichter sein, dies zu lernen (siehe beispielsweise "Controlling a Robot Which Walks On Two Feet" durch Takanishi (Jidosha Gijutsukai Kanto Shibu < Koso > Nr. 25, April 1996).
Der Arbeitsraum und der Lebensraum von Menschen sind gemäß dem Verhaltensmodus und des Körpermechanismus eines Menschen gebildet, der auf zwei Füßen läuft, während er in einer aufrechten Position ist. Anders ausgedrückt hat zum Bewegen vorhandener mechanischer Systeme unter Verwendung von Rädern oder anderen Antriebseinrichtungen als Bewegungseinrichtung der Lebensraum von Menschen viele Hindernisse. Es ist jedoch vorzuziehen, dass der Bewegungsbereich des Roboters ungefähr der gleiche ist wie der von Menschen, damit das mechanische System, d.h., der Roboter verschiedene menschliche Aufgaben anstelle davon ausführt und tief in den Lebensraum von Menschen eindringt. Dies ist der Grund dafür, warum es große Erwartungen gibt, einen auf Beinen laufenden mobilen Roboter der praktischen Verwendung zuzuführen. Um die Verwandtschaft des Roboters zur Lebensumgebung von Menschen zu verbessern, ist es wesentlich, dass der Roboter eine menschenähnliche Form besitzt.
Eine Anwendung von menschenähnlichen Robotern besteht darin, dass diese verschiedene schwierige Operationen, beispielsweise bei industriellen Aufgaben oder bei der Produktion anstelle von Menschen ausführen. Sie führen anstelle von Menschen gefährliche oder schwierige Operationen aus, beispielsweise die Wartungsarbeit in nuklearen Kraftwerken, thermischen Kraftanlagen oder petrochemischen Anlagen, den Transport von Teilen/Montagearbeiten beim Herstellen von Anlagen, das Reinigen von großen Gebäuden und das Retten von Leuten an Stellen, wo es brennt und dgl.
Die wichtigste Aufgabe besteht darin, industrielle Roboter zu entwerfen und herzustellen, die industriell spezialisiert verwendet werden können und welche die speziellen Funktionen bereitstellen können. Industrielle Roboter sind aufgrund der Annahme konstruiert, dass sie auf zwei Füßen laufen können. Wie mechanische Einrichtungen müssen sie jedoch nicht notwendigerweise naturgetreu die aktuellen Körpermechanismen und Bewegungen von Lebewesen, beispielsweise Menschen oder Affen reproduzieren, welche laufen, während sie in einer aufrechten Position sind. Um beispielsweise einen industriellen Roboter für eine bestimmte Verwendung herzustellen, wird der Freiheitsgrad der Bewegung von bestimmten Teilen, beispielsweise von den Fingerspitzen und deren Betriebsfunktionen entsprechend vergrößert und verbessert. Dagegen ist der Freiheitsgrad von Teilen, die als vergleichsweise unwichtig bezogen auf eine Aufgabe angesehen werden, beispielsweise der Kopf, der Rumpf (das Rückgrad, usw.) und die Taille bezüglich der Anzahl begrenzt oder nicht vorgesehen. Dies bewirkt, das der industrielle Roboter eine nicht natürliche äußere Erscheinungsform hat, wenn er arbeitet und sich bewegt, obwohl dieser eine Art von Roboter ist, der auf zwei Füßen läuft. Ein Kompromiss ist jedoch unausweichlich.
Eine weitere Anwendung von menschenähnlichen Robotern bezieht sich auf das enge Verbinden von diesen mit dem Leben, d.h., "mit dem Leben zusammen mit Menschen" und anstelle davon, diesen beim Leben zu helfen, wobei schwierige Aufgaben anstelle von Menschen ausgeführt werden. Anders ausgedrückt besteht der grundlegende Zweck darin, dass diese Roboter getreu den gesamten Körper reproduzieren, wobei Betätigungsmechanismen harmonisch bewegt werden, welche Lebewesen, beispielsweise Menschen und Affen, welche auf zwei Füßen laufen, während sie in aufrechter Position sind, tatsächlich haben, und bewirkt wird, dass diese sich natürlich und gleitend bewegen. Zusätzlich ist beim Nacheifern hochintelligenter Lebewesen, beispielsweise Menschen oder Affen, welche in einer aufrechten Position stehen, ein Betrieb unter Verwendung von vier Gliedmaßen für einen lebenden Körper natürlich, und es wird gewünscht, dass die Bewegungen ausreichend für die Emotionen und Gefühle bezeichnend sind. Außerdem ist es erforderlich, das der menschenähnliche Roboter nicht nur ein vorher eingegebenes Betriebsmuster getreu ausführt, sondern auch intensiv als Antwort auf Worte und Aktionen einer Person handelt (beispielsweise über jemanden gut sprechen, jemanden beschimpfen oder jemanden schlagen kann). In diesem Sinn werden Unterhaltungsroboter, die Menschen nacheifern, angemessen als menschenähnliche Roboter bezeichnet.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, besitzt der menschliche Körper einige hundert Gelenke (Verbindungsglieder), d.h., einige hundert Freiheitsgrade. Um zu bewirken, dass die Bewegungen der auf Beinen laufenden Roboter nahe denjenigen von Menschen sind, ist es vorteilhaft, dass es auf Beinen laufenden Robotern erlaubt wird, virtuell ungefähr die gleiche Anzahl von Freiheitsgraden wie Menschen zu haben. Es ist jedoch äußerst schwierig, diese Technologie zu erzielen. Der Grund dafür liegt darin, dass, da zumindest ein Betätigungsglied angeordnet werden muss, einen Freiheitsgrad bereitzustellen, einige hundert Betätigungsglieder für einige hundert Freiheitsgrade angeordnet werden müssen. Dies ist aus dem Gesichtspunkt der Herstellungskosten und des Gewichts und der Größe und anderer konstruktiver Faktoren schwierig zu erreichen. Wenn außerdem die Anzahl von Freiheitsgraden groß ist, wird entsprechend die Anzahl von Berechnungen, welche beispielsweise für die Positions- bzw. Operationssteuerung oder einen stabilen Lagesteuerungsbetrieb notwendig sind, entsprechend exponentiell vergrößert.
Folglich ist ein menschenähnlicher Roboter allgemein so aufgebaut, dass er ungefähr wenige 10 Freiheitsgrade an den Gelenken besitzt, was viel weniger ist als die, die der menschliche Körper besitzt. Daher kann ausgeführt werden, dass, wie die natürliche Bewegung unter Verwendung weniger Freiheitsgrade zu erreichen ist, dies ein wichtiger Faktor beim Konstruieren/Steuern eines menschenähnlichen Roboters ist.
Vom Standpunkt der Ergonomie ist beispielsweise, dass ein flexibler Mechanismus, beispielsweise ein Rückgrad für verschiedene komplizierte Bewegungen im Leben von Menschen wichtig ist, äußerst einleuchtend. Der Wert der Existenz des Freiheitsgrads am Rumpfgelenk, welches das Rückgrad bezeichnet, ist niedrig, jedoch für Unterhaltungsroboter und andere menschenähnliche Roboter wichtig, die eng mit dem Leben verbunden sind. Es besteht ein Wunsch dahingehend, dass die Flexibilität des Roboters aktiv gemäß dem Zustand angepasst werden kann.
Auf Beinen laufende Roboter, die auf zwei Füßen laufen, während sie in einer aufrechten Position sind, sind ausgezeichnete Roboter dahingehend, dass sie flexibel laufen und sich bewegen können (beispielsweise Treppen herauf und herunter oder über Hindernisse). Da jedoch die Anzahl von Füßen vermindert wurde und die Schwerkraftmitte dieser Roboter an einer hohen Position liegt, ist es entsprechend schwierig, eine Positionssteuerung und stabile Gehsteuerungsoperationen auszuführen. Insbesondere, wenn diese eng mit lebenden Robotern verbunden sind, muss das Gehen und die Position des gesamten Körpers gesteuert werden, während sie sich natürlich bewegen, und in einer Art und Weise, welche ausreichend ist, die Anzahl von Emotionen und Gefühlen von intelligenten Lebewesen, beispielsweise Menschen oder Affen anzuzeigen.
Es wurden bereits viele Verfahren, die die stabilen Gehsteueroperationen und die Positionssteuerung eines auf Beinen laufenden Roboters, der auf zwei Beinen läuft, betreffen, vorgeschlagen. Hier bedeutet stabil "laufen", sich zu bewegen, wobei die Füße verwendet werden, ohne umzufallen.
Ein stabiler Positionssteuerungsbetrieb eines Roboters ist sehr wichtig, um zu verhindern, dass der Roboter umfällt. Der Grund dafür ist der, dass das Umfallen des Roboters eine Unterbrechung der Ausübung der Aufgabe des Roboters bedeutet und die Notwendigkeit einer beträchtlichen Arbeit und Zeit, die Ausübung der Aufgabe wiederaufzunehmen, nachdem der Roboter von seinem Zustand, wo er umfallen ist, wieder aufgestanden ist. Wenn der Roboter umfällt, kann vor allem der Roboter selbst oder das Objekt, mit dem er kollidiert, wenn er umfällt, stark beschädigt sein. Daher ist das Ausführen eines stabilen Lagesteuerungsbetriebs oder zu verhindern, dass der Roboter umfällt, wenn er läuft, ein wichtiger Faktor.
Wenn der Roboter läuft, verursacht die Beschleunigung, die erzeugt wird, wenn der Roboter läuft, oder aufgrund der Schwerkraft, eine Schwerkraft, eine Trägheitskraft, wobei das Moment dieser beiden Kräfte auf die Oberfläche eines Wegs von einem Gehsystem wirkt. Gemäß dem sogenannten Prinzip von "Alembert" bilden diese ein Gleichgewicht mit der Bodenreaktionskraft und dem Bodenreaktionskraftmoment, die in einer entgegengesetzten Richtung von der Fläche des Wegs zum Gehsystem reagieren. Aus der Theorie der Mechanik folgt, dass ein Punkt existiert, wo das Einstellachsenmoment und das Rollachsenmoment zu null werden oder innerhalb einer Seite einer tragenden mehreckigen Form, welche durch die Oberfläche des Pfads gebildet wird, und die Punkte, wo die Schuhsohlen den Boden berühren. Anders ausgedrückt existiert ein ZMP (Moment-Nullpunkt).
Viele der Vorschläge, die gemacht wurden, zu verhindern, dass ein auf Beinen laufender Roboter umfällt, während er läuft, oder einen stabilen Lagesteuerungsbetrieb bezüglich des Roboters durchzuführen, verwenden den ZMP als Standard, um die Gehstabilität festzulegen. Die Erzeugung eines Musters zum Laufen auf zwei Füßen auf der Basis des ZMP als Standard hat den Vorteil, das vorherige Festlegen der Punkte zu erlauben, wo die Schuhsohlen den Boden kontaktieren, wobei es leichter gemacht wird, die kinematischen Begrenzungszustände der Zehen gemäß der Form der Oberfläche eines Wegs in Erwägung zu ziehen.
Beispielsweise offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 5-30 55 79 eine Gehsteuerung eines auf Beinen laufenden Roboters. Die Gehsteuerung, welche in diesem Dokument offenbart ist, führt einen Steuerungsbetrieb durch, so dass der ZMP (Moment-Nullpunkt), d.h., der Punkt auf der Bodenfläche, wo das Moment, welches aus der Reaktionskraft des Bodens resultiert, wenn der Roboter läuft, null ist, zu einem Sollwert passt.
Die japanische nicht-geprüfte Patentveröffentlichung Nr. 5-30 55 81 offenbart einen auf Beinen laufenden Roboter, der so aufgebaut ist, dass der ZMP entweder in der Innenseite eines lagernden Polygonteils oder an einer Lage angeordnet ist, die ausreichend durch zumindest ein vorher festgelegten Betrag von einem Ende des lagernden Polygonteils getrennt ist, wenn ein Fuß des Roboters auf dem Flur landet oder vom Boden getrennt wird. Als Ergebnis ermöglicht es, sogar wenn der Roboter einer externen Störung unterworfen wird, der ausreichende vorher festgelegte Abstand des ZMP, zu veranlassen, dass der Roboter stabiler läuft.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 5-30 55 83 offenbart das Steuern der Gehgeschwindigkeit eines auf Beinen laufenden Roboters durch eine ZMP-Solllage. Insbesondere werden bei dem in diesem Dokument offenbarten auf Beinen laufenden Roboter vorher festgelegte Gehmusterdaten dazu verwendet, ein Fußgelenk anzusteuern, so dass der ZMP zu einer Solllage passt, und es wird das Neigen des oberen Teils des Körpers ermittelt, um die Ausstoßgeschwindigkeit der festgelegten Gehmusterdaten gemäß dem ermittelten Wert zu ändern. Wenn somit der Roboter unabsichtlich auf eine nichtebene Fläche tritt und sich beispielsweise nach vorne neigt, kann die Ursprungsposition des Roboters durch Vergrößern der Ausstoßgeschwindigkeit wieder hergestellt werden. Da außerdem der ZMP so gesteuert werden kann, dass er zur Solllage passt, gibt es keine Schwierigkeit, die Ausstoßgeschwindigkeit in einer Einrichtung zum Lagern beider Füße zu ändern.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 5-30 55 85 offenbart das Steuern einer Landeposition eines auf Beinen laufenden Roboters durch eine ZMP-Solllage. Insbesondere ist der auf Beinen laufende Roboter, der in diesem Dokument offenbart ist, so, dass er stabil läuft, wobei jegliche Verschiebungen zwischen dem ZMP-Sollort und der aktuell gemessenen Position ermittelt werden und ein oder beide Füße angesteuert werden, um die Verschiebung zu löschen, oder um das Moment um den ZMP-Sollort herum zu ermitteln und um die Beine so anzusteuern, dass dieses zu null wird.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 5-30 55 86 offenbart das Steuern der Neigung der Lage eines auf Beinen laufenden Roboters durch eine ZMP-Solllage. Insbesondere ist der auf Beinen laufende Roboter, der in diesem Dokument offenbart ist, so, dass er stabil läuft, wobei das Moment um die ZMP-Solllage herum ermittelt wird und die Beine so angesteuert werden, dass, wenn das Moment erzeugt wird, das Moment zu null wird.
Die größte Anstrengung sollte gemacht werden, um vorher zu verhindern, dass der Roboter, der grade läuft, umfällt. Die Forschung von Robotern, welche auf zwei Füßen laufen oder welche eine kleine Anzahl von Füßen haben, ist jedoch in einem Zustand, bei welchem der erste Schritt in Richtung auf eine praktische Verwendung nun begonnen wurde, so dass die Möglichkeit, dass diese Roboter umfallen, nicht auf null reduziert werden konnte.
Um daher auf Beinen laufenden Roboter in einem frühen Zustand einer praktischen Verwendung zuzuführen, ist es wichtig, nicht nur Maßnahmen zu ergreifen, um vorher zu verhindern, dass die Roboter umfallen, sondern auch Schäden zu minimieren, die sich ergeben, wenn die Roboter umfallen, und um verlässlicher zu bewirken, dass diese das Arbeiten wieder aufnehmen, d.h., zu veranlassen, dass diese verlässlicher aufstehen oder stehen.
Im menschlichen Umfeld, wo es verschiedene Hindernisse und unerwartete Situationen gibt, kann nicht verhindert werden, dass der Roboter umfällt. An erster Stelle ist es möglich, dass Menschen selbst umfallen. Es ist daher keine Übertreibung, zu sagen, dass, um den Roboter vollständig zu automatisieren, es wesentlich ist, dass der auf Beinen laufende Roboter ein Arbeitsmuster aufweist, um unabhängig von seinem Zustand, wo er umgefallen ist, aufzustehen.
Beispielsweise behandelt die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 11-48 170 das Problem eines auf Beinen laufenden Roboters, der umfällt. Dieses Dokument schlägt jedoch vor, bis zu einem möglichen Ausmaß Schäden bezüglich auf den Roboter und das Objekt, mit welchem der Roboter kollidiert, wobei die Schwerkraftmitte des Roboters nach unten verschoben wird, wenn der Roboter umfällt. Daher wird nichts über das Vergrößern der Verlässlichkeit ausgesagt, mit der der Roboter seinen Betrieb wieder aufnimmt, nachdem er umgefallen ist, d.h., die Verlässlichkeit, mit der der Roboter aufsteht oder steht.
Sogar, wenn der Roboter so beschrieben ist, dass er lediglich umfällt, nimmt der Roboter verschiedene Positionen ein, nachdem er umgefallen ist. Für einen auf zwei Beinen stehenden, laufenden Roboter gibt es mehrere "Umfallpositionen", welche eine Position, bei der er auf dem Gesicht liegt, eine Position, wo er auf dem Rücken liegt, und eine Position, wo er auf der Seite liegt, umfassen. Die Konstruktion eines Roboters, so dass er lediglich aus einigen dieser Umfallpositionen aufsteht (beispielsweise lediglich aus der Position, bei der er auf dem Gesicht liegt) ist nicht genug, beim Aufbau eines Roboters zu fordern, dass er unabhängig aufsteht und dies vollständig automatisiert ist.
Als Beispiel wird ein auf Beinen laufender Roboter, der in 35 gezeigt ist, betrachtet. Der in dieser Figur gezeigte Roboter ist ein menschenähnlicher Roboter, welcher auf zwei Füßen in einer aufrechten Lage läuft und einen Kopf, einen Rumpf, untere Gliedmaßen und obere Gliedmaßen aufweist. Die Füße besitzen Freiheitsgrade, welche zum Gehen erforderlich sind, und die Arme besitzen Freiheitsgrade, die für deren auferlegte Aufgaben erforderlich sind. So besitzt beispielsweise jeder Fuß sechs Freiheitsgrade, während jeder Arm vier Freiheitsgrade besitzt. Der Rumpf ist die Mitte des strukturellen Teils und verbindet die Füße und die Arme sowie den Kopf. Der Rumpf des Roboters, welcher in der Figur gezeigt ist, besitzt jedoch null Freiheitsgrade.
Allgemein läuft der auf Beinen laufende Roboter als Ergebnis von Relativbewegungen zwischen den Bereichen der Füße, welche den Boden kontaktieren, und dem Mittelpunkt des dynamischen Moments oder der Schwerkraftmitte. Wenn der Roboter ein Roboter ist, der auf zwei Füßen läuft, wird die Bewegung in einer vorher festgelegten Richtung durch abwechselndes Anordnen des linken und des rechten Fußes in einem Stehzustand und in einem Schwingzustand erreicht. Hier ist es grundsätzlich notwendig, die Mitte des dynamischen Moments oder die Schwerkraftmitte des Körpers in Richtung auf die Seite, wo der Roboter steht, und in einer vorher festgelegten Bewegungsrichtung zu verschieben. Bei dem auf Beinen laufenden Roboter werden diese Bewegungen durch harmonische Handlung erreicht, welche durch die Freiheitsgrade an den Gelenken der Bereiche des Roboters erreicht wird. Wenn der auf Beinen laufende Roboter Füße hat, welche sechs oder mehrere Freiheitsgrade haben, beispielsweise der in 35 gezeigte Roboter, kann die Mitte des dynamischen Moments der Schwerkraftmitte des Körpers, wenn der Roboter läuft, als Ergebnis der Freiheitsgrade der Füße bewegt werden.
36 zeigt einen Zustand, bei dem der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, in einem senkrechten Zustand ist. In dieser senkrechten Lage liegt die Schwerkraftmitte des Roboters gesehen von der Richtung von der Vorderseite seines Körpers über den Mittelbereichen der beiden Füße, und der ZMP liegt innerhalb eines stabilen Lagebereichs, im Wesentlichen in der Mitte zwischen den Positionen der beiden Füße, welche den Boden kontaktieren.
37 zeigt einen Zustand, bei dem die Schwerkraftmitte zu einem der Füße (dem linken Fuß in der Figur) verschoben ist, um zu erlauben, dass der auf Beinen laufende Roboter läuft. Anders ausgedrückt wird der ZMP innerhalb eines Bereichs verschoben, wo der linke Fuß den Boden kontaktiert, indem die Schwerkraftmitte des Roboters in Richtung auf das linke Bein bewegt wird, als Ergebnis der Bewegung, welche hauptsächlich einen Versatz eines linken Hüftgelenks und einen Versatz eines linken Knöchelgelenks in einer Rollrichtung umfasst, und einen entsprechenden Versatz eines rechten Hüftgelenks und eines entsprechenden Versatzes eines rechten Knöchelgelenks in der Rollrichtung. Als Ergebnis nimmt der Roboter eine Lage ein, welches das Gesamtgewicht des Körpers lediglich durch das linke Bein tragen kann. Zusätzlich kann der Roboter laufen, wobei er nach vorne in einer gewünschten Richtung sein rechtes Bein bewegt, welches in einem Schwingzustand ist.
Ein zweifüßiger auf Beinen laufender Roboter, bei dem hauptsächlich angenommen wird, dass er läuft, kann unter Verwendung der Freiheitsgrade der Füße in Abhängigkeit vom Freiheitsgrad der Anordnung laufen. Dieses Laufbetriebsmuster wird häufig bei wirklichen Maschinen verwendet. Um Aufgaben durchzuführen, wird der Roboter allgemein außerdem so aufgebaut, dass er separate Freiheitsgrade der Arme und Hände beherrscht. Außerdem beherrscht der Kopf häufig Freiheitsgrade zur optischen Wahrnehmung und dgl.
Im Gegensatz dazu kann nicht ausgeführt werden, dass die Freiheitsgrade des Rumpfes für ein Betriebsmuster erforderlich sind, um zu bewirken, dass der Roboter hauptsächlich läuft oder Aufgaben ausführt. Daher beherrscht der Rumpf der meisten auf Beinen laufenden Roboter, die z.B. für praktische Verwendungen entwickelt werden, nicht jeglichen Freiheitsgrad, wie in 35 gezeigt ist (oben erläutert).
Der Aufstehbetrieb eines auf Beinen laufenden Roboters, der keinen Freiheitsgrad am Rumpf besitzt, beispielsweise der, der in 35 gezeigt ist, wenn der Roboter umgefallen ist, wird in Betracht gezogen.
Wenn beispielsweise der Roboter von seiner Lage, bei der auf dem Gesicht liegt, aufsteht, beispielsweise der, die in 38 gezeigt ist, wird eine Betätigung an den Einstellachsen der beiden Hüftgelenke und der beiden Arme usw. durchgeführt, um zu bewirken, dass lediglich die Arme und Beine (Knie) den Boden kontaktieren. Dann werden die Relativabstände zwischen den Bereichen der Arme und den entsprechenden Bereichen der Beine, die den Boden kontaktieren, allmählich vermindert, um die Schwerkraftmitte des Roboters nach oben zu bewegen (siehe 39).
Die Füße werden nach vorne (siehe 40) im gleichen Zeitpunkt, wo die Schwerkraftmitte nach oben bewegt wird, bewegt. Als Ergebnis bewegt sich die Schwerkraftmitte über einen Bereich, wo die Füße den Boden kontaktieren, und der ZMP bewegt sich in den Bereich, der den Boden berührt, d.h., einen stabilen Lagebereich, so dass es möglich wird, die Arme von der Fläche des Bodens zu bewegen (siehe 41). Zusätzlich wird durch Ausstrecken der Beine (Kniegelenke), um die Schwerkraftmitte nach oben zu bewegen, der Aufstehbetrieb beendet (siehe 42).
Da jedoch Probleme hinsichtlich einer Störung zwischen den Bereichen des Roboters und dem Bewegungswinkel jedes Gelenks existieren, ist es häufig der Fall, dass die Schwerkraftmitte nicht ausreichend bewegt werden kann. Wenn beispielsweise eine Änderung von der Position, welche in 40 gezeigt ist, auf die, die in 41 gezeigt ist, gemacht wird, können die Knie nicht ausreichend gebogen werden, während die Arme in Kontakt mit dem Boden sind, wodurch es unmöglich wird, den ZMP in den Bereich zu bewegen, wo die Füße den Boden berühren. Wenn versucht wird, gewaltsam den ZMP zu dem Bereich zu bewegen, wo die Füße den Boden kontaktieren, bewegen sich die Arme weg vom Boden, bevor sich der ZMP in den stabilen Bereich bewegt, so dass der Roboter nicht ordentlich aufstehen kann.
Wenn, wie in 43 gezeigt ist, der auf Beinen laufende Roboter in die Position fällt, bei der auf dem Rücken liegt, ist es sogar noch schwieriger für den Roboter, unabhängig aufzustehen, d.h., ohne körperliche Hilfe von außen.
Wenn ein Aufstehbetrieb von der Position, wo der Roboter auf dem Rücken liegt durchgeführt wird, muss der Roboter zunächst eine Lage einnehmen, bei der er den Boden mit den Füßen und den Armen kontaktiert, um die Schwerkraftmitte nach oben zu bewegen (44). Danach werden die relativen Abstände zwischen den Bereichen der Füße, die den Boden berühren, und den entsprechenden Bereichen der Arme, die den Boden kontaktieren, allmählich vermindert (siehe 45).
Wenn die Relativabstände zwischen den Füßen und den entsprechenden Armen ausreichend klein sind, kann die Schwerkraftmitte des Roboters nach oben über den Bereich bewegt werden, wo die Füße den Boden berühren (siehe 46). In diesem Zustand tritt der ZMP innerhalb des Fuß- oder des stabilen Lagebereichs ein, so dass durch Bewegen der Arme weg von der Fläche des Bodens und durch Ausdehnen der Beine, d.h., der Knie, um die Schwerkraftmitte nach oben zu bewegen, der Aufstehbetrieb beendet wird (siehe 47).
In Wirklichkeit jedoch existieren Probleme, beispielsweise die Störung zwischen Bereichen des Roboters und dem Bewegungswinkel jedes Gelenks wie in dem Fall, wo der Roboter von dem Zustand aufsteht, bei dem er auf dem Gesicht liegt, so dass es häufig vorkommt, dass die Schwerkraftmitte nicht ausreichend bewegt werden kann. Wenn beispielsweise die Lage sich von der, die in 45 gezeigt ist, auf die, die in 46 gezeigt ist, ändert, können die Knie nicht ausreichend gebogen werden, während die Arme in Kontakt mit dem Boden sind, so dass der ZMP nicht in den Bereich bewegt werden kann, wo die Füße den Boden berühren. Wenn ein Versuch gemacht wird, gewaltsam den ZMP zu bewegen, bewe gen sich die Arme vom Boden weg, bevor sich der ZMP in den stabilen Bereich bewegt, so dass der Roboter nicht ordentlich aufstehen kann.
In den Fällen, wo der Aufstehbetrieb von der Lage, wo der Roboter auf dem Gesicht liegt, die in 38 bis 43 gezeigt ist, und von der Lage, wo der Roboter auf dem Rücken liegt, die in 43 bis 47 gezeigt ist, ausgeführt wird, werden die Bewegungswinkel der Hüftgelenke in Richtung auf die Vorderseite des Körpers vergrößert, um es zu ermöglichen, einen Flaschenhals zu verhindern, der in 40 und 41 und 46 und 47 gezeigt ist. Um jedoch die Bewegungswinkel der Hüftgelenke der wirklichen mit auf Beinen laufenden Robotern zu vergrößern, tritt eine Störung zwischen dem Rumpf und den umgebenden Teilen auf, so dass nicht gesagt werden kann, dass dies in Wirklichkeit die Probleme löst.
In den Fällen, wo der Aufstehbetrieb von der Lage, bei der der Roboter auf dem Gesicht liegt, und von der Lage, bei dem der Roboter auf dem Rücken liegt, ausgeführt wird, kann, wenn die Schwerkraftmitte des gesamten auf Beinen laufenden Roboters in der Nähe der Füße durch Konstruierens sehr schwerer Füße gelegt wird, der ZMP zum stabilen Lagebereich bewegt werden, sogar wenn sich die Arme zunächst weg vom Boden bewegen, wie in 41 und 47 gezeigt ist. Dies ist ähnlich dem Prinzip, mit dem ein "daruma" natürlich aufsteht.
In dem Fall, wo ein Roboter, der statisch läuft, bei dem die Schwerkraftmitte immer innerhalb des Bereichs liegt, wo die Sohlen den Boden kontaktieren, während er läuft, ist es möglich, stabiles Laufen sogar dann sicherzustellen, wenn, wie in einem "daruma" die Schwerkraftmitte des gesamten Roboters an einem niedrigen Ort, beispielsweise den Füßen, angeordnet ist.
Bei einem Roboter, der dynamisch läuft, bei dem die Schwerkraftmitte des Roboters außerhalb des Bereichs der Sohlen liegt, wird dagegen die Lage des Roboters durch starkes Beschleunigen eines Stützpunkts in der Richtung, in welcher der Roboter nach unten gefallen ist, während der Roboter läuft, wiederhergestellt, so dass vom Konzept eines invertierten Pendels Gebrauch gemacht wird. Anders ausgedrückt sind bei dem Roboter, der dynamisch läuft, um eine dynamische Bewegung der Schwerkraftmitte zu erlauben, die Beine so ausgebildet, dass sie in Bezug auf den Zustand relativ leicht sind, so dass die Schwerkraftmitte an einem relativ hohen Ort liegt. Wenn dagegen die Masse jedes Beins groß ist, wird es schwierig, die Schwerkraftmitte sanft zu bewegen, so dass das Gehen des Roboters behindert ist. Zusammenfassend macht das Einstellen der Schwerkraftmitte des gesamten Roboters an einem niedrigen Ort es schwierig, einen stabilen Lagesteuerungsbetrieb auszuführen, wenn er dynamisch läuft, so dass dies, was oben erwähnt wurde, nicht eine allgemeine Lösung für einen auf Beinen laufenden Roboter sein kann, der aufsteht.
Wie man aus 38 bis 42 und aus 43 bis 47 ersehen kann, sind, wenn ein auf Beinen laufender Roboter, der keinen Freiheitsgrad am Rumpf besitzt, verwendet wird, die Bewegungshöhe der Arme, des Kopfs usw. und der Beine in Bezug zueinander klein, wodurch es für den Roboter schwierig gemacht wird, von einer der Umfalllagen aufzustehen.
Durch sehr kurzes Ausbilden des Rumpfes des Roboters oder durch sehr langes Ausbilden der Arme kann die Höhe der Bewegung zwischen den Armen und Beinen relativ zueinander vergrößert werden. Dies beseitigt das Problem, dass sich die Arme vom Boden weg bewegen, bevor sich der ZMP in den stabilen Lagebereich bewegt, wie in 41 und 47 gezeigt ist, so dass es für den Roboter möglich gemacht wird, aufzustehen.
Wenn der Rumpf jedoch kurz ausgebildet wird oder die Arme lang ausgebildet werden, sind die vier Gliedmaßen oder der gesamte Körper des menschlichen Roboters nicht mehr proportioniert, wodurch der Anspruch verlassen wird, einen menschenähnlichen Roboter herzustellen.
Es besteht z.B. die Tendenz, eine Einheit zum Steuern des Roboters selbst an seinem Rücken zu installieren. Wenn folglich der Roboter nach unten in die liegende Rückenposition fällt, verschiebt sich die Schwerkraftmitte stark in Richtung auf seine Rückenflächenseite. Folglich wird angenommen, dass es sogar für diesen Roboter schwieriger wird, von der liegenden Rückenposition aus aufzustehen (siehe 48).
Folglich ist es eine Aufgabe von zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einen auf Beinen laufenden Robotermechanismus bereitzustellen, bei dem der Mechanismus des Körpers eines auf Beinen laufenden Lebewesens, beispielsweise eines Menschen oder eines Affens, Modell ist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen auf Beinen laufenden Roboter, der selbst aufstehen kann, sogar wenn er hingefallen ist, während er läuft oder eine Aufgabe ausführt, sowie einen Steuerungsmechanismus bereitzustellen.
Eine noch weitere Aufgabe besteht darin, einen auf Beinen laufenden Roboter, der nach einer Unterbrechung einer Aufgabe automatisch zu arbeiten beginnen kann, wenn er hingefallen ist, um unabhängig aufzustehen, sogar, wenn er in verschiedenen Lagen liegt, wenn er umgefallen ist, sowie einen Steuerungsverfahrens-Mechanismus dafür bereitzustellen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe, einen auf Beinen laufenden Roboter, der unabhängig, verlässlich und allmählich von verschiedenen Umfallpositionen aufstehen kann, beispielsweise aus einer Position, bei der er auf dem Gesicht liegt, einer Position, bei der er auf dem Rücken liegt und einer Position, wo er auf der Seite liegt, sowie einen Steuerungsmechanismus dafür bereitzustellen.
INABA M et. A1: "Two-armed bipedal robot that can walk, roll over and stand up" , Proceedings 1995 IEEE/RSJ, International Conferende on Intelligent Robots and Systems, Human Robot Interaction and Copperative Robots (CAT. NO. 95CB35836), Seite 297–302, Band 3, XP002164248, 1995, Los Alamitos, CA, USA, IEEE Comput. Soc. Press, USA, ISBN: 0-8186-7108-4 offenbart einen auf Beinen laufenden Roboter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gemäß einem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein auf Beinen laufender Roboter bereitgestellt, der zumindest untere Arme und einen oberen Teil eines Körpers aufweist, der über den unteren Armen angeordnet ist und der durch Bewegung der unteren Arme bewegbar ist, wobei der Roboter außerdem eine Einrichtung aufweist, um zu bestimmen, ob der Roboter umgefallen ist oder nicht,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Roboter eine vorher festgelegte Bewegung an einem Rumpf beherrscht, die ein Freiheitsgrad erlaubt; und
eine Einrichtung vorgesehen ist, um ein Aufsteh-Betriebsmuster auszuführen, welches zumindest eine Verlagerung am Rumpf zur Folge hat, entsprechend der der Bewegung, die ein Freiheitsgrad erlaubt, wenn der Roboter umgefallen ist.
Bei einer ersten Form des ersten Merkmals der vorliegenden Erfindung kann der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad erlaubt, in einer Querrichtung bzw. Einstellrichtung beherrschen, und das Aufsteh-Betriebsmuster kann die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Querachsenrichtung des Rumpfs erlaubt, nutzen.
Bei einer zweiten Form des ersten Merkmals der Erfindung kann der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad erlaubt, in einer Gierachsenrichtung bzw. Schwenkachsenrichtung beherrschen, und das Aufsteh-Betriebsmuster kann die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Gierachsenrichtung des Rumpfs erlaubt, nutzen.
Bei einer dritten Form des ersten Merkmals der vorliegenden Erfindung kann der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rollachsenrichtung erlaubt, beherrschen, und das Aufsteh-Betriebsmuster kann die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rollachsenrichtung des Rumpfs erlaubt, nutzen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der auf Beinen laufende Roboter eine Einrichtung, um die Position des Roboters zu bestimmen, wenn der Roboter umgefallen ist; und
eine Einrichtung zum Ausführen eines Betriebsmusters, um auf eine andere Umfall-Position umzuwechseln, wenn der Roboter umgefallen ist.
Bei einer ersten Form der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Querachsenrichtung erlaubt, beherrschen, und das Betriebsmuster zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position kann die Bewegung nutzen, die ein Freiheitsgrad in der Querachsenrichtung des Rumpfs erlaubt.
Bei einer zweiten Form der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Rumpf zumindest eine Bewegung, die zumindest ein Freiheitsgrad in einer Gierachsenrichtung erlaubt, beherrschen, und das Betriebsmuster zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position kann die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Gierachsenrichtung des Rumpfs erlaubt, nutzen.
Bei einer dritten Form der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Rumpf zumindest eine Bewegung beherrschen, die ein Freiheitsgrad in einer Rollachsenrichtung erlaubt, und das Betriebsmuster zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position kann die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rollachsenrichtung des Rumpfs erlaubt, nutzen.
Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung wird ein Betriebssteuerungsverfahren eines auf Beinen laufenden Roboters bereitgestellt, der zumindest untere Arme und einen oberen Teil des Körpers aufweist, der über den unteren Armen angeordnet ist und der durch Bewegung der unteren Arme bewegbar ist, wobei das Verfahren das Bestimmen aufweist, ob der Roboter umgefallen ist oder nicht, und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass, um einen Roboter zu steuern, der eine vorher festgelegte Bewegung beherrscht, die ein Freiheitsgrad an einem Rumpf erlaubt, ein Aufsteh-Betriebsmusters ausgeführt wird, welches zumindest eine Verlagerung entsprechend der Bewegung umfasst, die ein Freiheitsgrad am Rumpf erlaubt, wenn der Roboter umgefallen ist.
Um den Betrieb eines auf Beinen laufenden Roboters zu steuern, wenn der Roboter nach unten in eine Lage gefallen ist, bei der er auf dem Gesicht liegt, kann das Verfahren zum Steuern des Betriebs folgende Schritte aufweisen:

Veranlassen, dass der Roboter eine Position einnimmt, wo lediglich Arme und Beine einen Boden kontaktieren, wobei zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfquerachse erlaubt, genutzt wird;
Bewegung der Schwerkraftmitte des auf Beinen laufenden Roboters nach oben durch Nutzen von zumindest der Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rumpfquerachse erlaubt;
Verminderung der Relativpositionen, wo Teile der Arme und entsprechende Teile der Beine den Boden kontaktieren, wobei zumindest die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rumpfquerachse erlaubt, genutzt wird; und
als Ergebnis der Bewegung der Teile der Arme, welche den Boden kontaktieren, und der entsprechenden Teile der Beine, welche den Boden ausreichend eng zueinander kontaktieren, Beginnen einer Ausdehnung des gesamten Körpers als Antwort auf den Eintretens eines ZMP des auf Beinen laufenden Roboters in einem Bereich, wo die Beine den Boden kontaktieren.

Um den Betrieb eines auf Beinen laufenden Roboters zu steuern, wenn der Roboter in eine Lage gefallen ist, bei der er auf dem Rücken liegt, kann das Verfahren zum Steuern des Betriebs folgende Schritte aufweisen:

Veranlassen, dass der Roboter eine Position annimmt, wo der obere Teil des Körpers angehoben ist, wobei zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad an einer Hüftverbindungs-Querachse erlaubt, genutzt wird;
Bewegung der Schwerkraftmitte des auf Beinen laufenden Roboters nach vorne unter Verwendung von zumindest einer Bewegung, die ein Freiheitsgrad an einer Rumpfquerachse erlaubt; und
als Ergebnis der Bewegung der Schwerkraftmitte ausreichend nach vorne Beginnen des Ausdehnens des gesamten Körpers als Antwort auf den Eintreten eines ZPM des auf Beinen laufenden Roboters in einem Bereich, wo die Füße einen Boden kontaktieren.

Um den Betrieb eines auf Beinen laufenden Roboters zu steuern, wenn der Roboter in eine liegende Seitenposition umgefallen ist, kann das Verfahren den Schritt aufweisen, zu veranlassen, dass der Roboter eine Position einnimmt, bei der er auf dem Gesicht liegt, wobei zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfgierachse erlaubt, genutzt wird.
Um den Betrieb eines auf Beinen laufenden Roboters zu steuern, wenn der Roboter in eine liegende Seitenposition umgefallen ist, kann das Betriebssteuerungsverfahren folgende Schritte aufweisen:

Veranlassen, dass der obere Teil des Körpers des Roboters von der Fläche eines Bodens angehoben wird, wobei eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfrollachse erlaubt, genutzt wird; und
Veranlassen, dass der Roboter eine Position einnimmt, bei der er auf dem Gesicht liegt, wobei eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfgierachse erlaubt, genutzt wird.

Um den Betrieb eines auf Beinen laufenden Roboters zu steuern, wenn der Roboter in eine Position umgefallen ist, bei der der auf dem Rücken liegt, kann das Betriebssteuerungsverfahren den Schritt aufweisen, zu veranlassen, dass der Roboter eine liegende Seitenposition einnimmt, wobei zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfgierachse erlaubt, genutzt wird.
Um den Betrieb eines auf Beinen laufenden Roboters zu steuern, wenn der Roboter in eine Umfall-Position gefallen ist, kann das Betriebssteuerungsverfahren zumindest einen der Schritte aufweisen:

(a) Ändern der Position des Roboters von der Position, bei der er auf dem Rücken liegt, in eine liegende Seitenposition;
(b) Ändern der Position des Roboters von der liegenden Seitenposition auf eine Position, bei der er auf dem Gesicht liegt;
(c) Ändern der Position des Roboters von der Position, bei der er auf dem Gesicht liegt, auf die liegende Seitenposition; und
(d) Ändern der Position des Roboters von der liegenden Seitenposition auf die Position, bei der er auf dem Rücken liegt.

Der auf Beinen laufende Roboter besitzt Freiheitsgarde, die an der Rollachse, der Einstellachse und der Schwenkachse an seinem Rumpf vorgesehen sind. Unter Verwendung dieser Freiheitsgrade, die am Rumpf vorgesehen sind, ist es für den Roboter möglich, sanft und leicht von irgendeiner Lage, in die er umgefallen ist, aufzustehen.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter nach der vorliegenden Erfindung werden unter Verwendung der Freiheitsgrade des Rumpfes, wenn der Roboter von seinem umgefallenen Zustand aufsteht, die Belastung und das erforderliche Moment in bezug auf die bewegbaren Teile des Roboter mit Ausnahme des Rumpfes reduziert. Zusätzlich ist es durch Spreizen/Mitteln der Belastung zwischen allen bewegbaren Bereichen möglich, zu verhindern, dass die Belastung sich auf einen bestimmten Bereich des Roboters konzentriert. Daher kann der Roboter verlässlicher verwendet werden, und die Effizienz, mit der Energie verwendet wird, wenn der Roboter aufsteht, wird gesteigert.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter nach der vorliegenden Erfindung kann durch aufeinanderfolgendes Ändern von Umfalllagen von einer Umfallposition zur anderen Umfallposition ein einfacherer Aufstehbetrieb wahlweise ausgeführt werden.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter nach der vorliegenden Erfindung kann durch aufeinanderfolgendes Wiederholen mehrerer Umfallpositionen der Roboter sich in einer Ebene ohne aufzustehen bewegen. Daher kann der Roboter, nachdem er sich zu einem Ort bewegt hat, wo er leicht aufstehen kann, aufstehen.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter nach der vorliegenden Erfindung kann die Umfallposition geändert werden, so dass es möglich ist, die Anzahl und die Arten von Aufstehbetriebsmustern, die unterstützt werden müssen, zu reduzieren.
Wenn beispielsweise der Roboter vorher die Aufstehbetriebsmuster des Roboters bereitstellt, kann die Entwicklungsperiode und die Entwicklungskosten als Ergebnis der Verminderung der Anzahl von Betriebsmustern vermindert werden.
Durch Reduzieren der Anzahl von Betriebsmustern kann die Belastung bezüglich der Hardware reduziert werden, so dass erwartet werden kann, dass das System entsprechend verbessert wird.
Wenn der Roboter Betriebsmuster gemäß dem Zustand des Roboters unabhängig erzeugt, wobei die Anzahl von Betriebsmustern, die erzeugt werden, reduziert wird, wird die Belastung bezüglich der Recheneinheit, welche im Roboter selbst installiert werden muss, reduziert, wodurch es möglich wird, verminderte Geräteherstellungskosten und verlässlichere Arbeit des Roboters zu erwarten.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Aufstehbetriebsmuster zu begrenzen, wobei die Umfallposition des Roboters geändert wird. Als Ergebnis werden beispielsweise der Arbeitsbereich und das Abgabemoment aller Betätigungsglieder, die erforderlich sind, zu veranlassen, dass der Roboter aufsteht, reduziert. Daher kann der Roboter mit einem größeren Freiheitsgrad entworfen werden, und es können die Entwicklungsperiode und die Herstellungskosten reduziert werden.
Die Verfahren, die durchgeführt werden, zu veranlassen, dass der Roboter aufsteht, können als Ergebnis der Änderung der Umfallposition begrenzt werden, so dass es während des Aufstehbetriebs möglich ist, den Verbrauch elektrischer Leistung des Roboters zu vermindern und die Belastung der Stromversorgung, beispielsweise einer Batterie, zu reduzieren. Daher ist es möglich, die Batteriebetriebszeit zu steigern, und daher fortlaufende Operationen eine lange Zeitdauer durch einen Ladebetrieb durchzuführen, wobei als Ergebnis davon beispielsweise die Roboterarbeitszeit, der Arbeitsraum und die Arbeitsdetails gesteigert werden. Da außerdem die erforderliche Batteriekapazität reduziert wird, kann die Batterie kleiner sein und leichter, so dass der Roboter mit einem größeren Freiheitsgrad ausgebildet wird. Da außerdem die Anzahl von speziellen Erfordernissen der Batterie reduziert wird, werden die Kosten der Batterie reduziert, wodurch es möglich wird, den Betrieb und die Herstellungsausgaben des Systems insgesamt nach unten zu drücken.
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei durchwegs gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, und in denen:
1 eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines auf Beinen laufenden Roboters 100 der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Rückansicht der Ausführungsform eines auf Beinen laufenden Roboters 100 nach der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine vergrößerte Ansicht (vordere perspektivische Ansicht) des Aufbaus eines Rumpfes des auf Beinen laufenden Roboters 100 ist;
4 eine vergrößerte Ansicht (hintere Perspektive) des Aufbaus des Rumpfes des auf Beinen laufenden Roboters 100 ist;
5 schematisch ein Freiheitsgrad-Strukturmodell der Ausführungsform des auf Beinen laufenden Roboters 100 zeigt;
6 schematisch den Aufbau eines Steuerungssystems der Ausführungsform des auf Beinen laufenden Roboters 100 zeigt;
7 ein Flussdiagramm ist, welches schematisch die Arbeitsprozeduren zeigt, welche ausgeführt werden, wenn der auf Beinen laufende Roboter 100 umgefallen ist;
8 dazu verwendet wird, eine Reihe von Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von einem auf dem Gesicht liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 8 einen Zustand unmittelbar nachdem der auf Beinen laufende Roboter 100 auf den Boden in die Lage umgefallen ist, bei der er auf dem Gesicht liegt;
9 dazu verwendet wird, die Reihe von Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem auf dem Gesicht liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 9 einen Zustand, bei dem der auf Beinen laufende Roboter 100 im auf dem Gesicht liegenden Zustand damit beginnt, aufzustehen;
10 dazu verwendet wird, die Reihe an Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem auf dem Gesicht liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 10 einen Zustand, bei dem die Position der Schwerkraftmitte nach oben durch weiteren Anstieg des Versatzes beider Schultergelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₈, eines Rumpf-Einstellachsenbetätigungsglieds A₅ und Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₇ bewegt wird.
11 dazu verwendet wird, die Reihe an Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem auf dem Gesicht liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 11 einen Zustand, bei dem die Schwerkraftmitte G über den Füßen liegt, d.h., vollständig innerhalb eines stabilen Lagebereichs untergebracht ist, als Ergebnis einer weiteren Verminderung der Abstände zwischen den Bereichen der Arme, welche den Boden kontaktieren, und den entsprechenden Bereichen der Füße, die den Boden kontaktieren;
12 dazu verwendet wird, die Reihe an Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem auf dem Gesicht liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 12 einen Zustand, bei dem die Schwerkraftmitte G weiter nach oben als Ergebnis der Bewegung der Ende der Arme weg vom Boden und dem Ausstrecken der Beine durch Betätigen beider Knie-Einstellachsenbetätigungsorgane A₁₉ bewegt wird;
13 dazu verwendet wird, die Reihe an Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem auf dem Gesicht liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 13 einen Zustand, bei dem der Roboter sich seiner aufrechten Position als Ergebnis der weiteren Bewegung der Schwerkraftmitte G nach oben nähert;
14 dazu verwendet wird, die Reihe an Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von einem Zustand, bei dem er auf dem Rücken liegt, aufsteht. Insbesondere zeigt 14 einen Zustand, unmittelbar nachdem der auf Beinen laufende Roboter 100 auf die Fläche des Bodens in die auf dem Rücken liegende Lage umgefallen ist.
15 dazu verwendet wird, die Reihe an Operationen zu zeigen, welche ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem auf dem Rücken liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 15 einen Zustand, bei dem der auf Beinen laufende Roboter 100, dessen Position bestimmt wurde, dass er umgefallen ist, damit beginnt, von seiner auf dem Rücken liegenden Position aufsteht, nachdem er umgefallen ist;
16 dazu verwendet wird, die Reihe von Operationen zu zeigen, welche ausgeführt werden, zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 vom dem auf dem Rücken liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 16 einen Zustand, bei dem der Roboter selbst damit beginnt, eine Lage einzunehmen, bei der die Sohlen beider Füße den Boden kontaktieren, als Ergebnis einer weiteren Betätigung beider Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsorgane A₁₇, beider Knie-Einstellachsenbetätigungsorganen A₁₉ und beider Knöchel-Einstellachsenbetätigungsorganen A₂₀, wenn die Taille in Kontakt mit dem Boden ist;
17 dazu verwendet wird, eine Reihe an Operationen zu zeigen, welche ausgeführt werden, zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 vom auf dem Rücken liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 17 einen Zustand, bei dem die Schwerkraftmitte G nach oben bewegt wird, als Ergebnis des Versatzes des Rumpf-Einstellachsen-Betätigungsorgans A₅, und im gleichen Zeitpunkt die Verminderung der Abstände zwischen den Bereichen der Arme, welche den Boden kontaktieren, und den entsprechenden Bereiche der Füße, welche den Boden kontaktieren;
18 dazu verwendet wird, die Reihe an Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 vom liegenden Rückenzustand aufsteht. Insbesondere zeigt 18 einen Zustand, bei dem die Arme und die Taille vom Boden weg bewegt werden, wobei der ZMP in Richtung auf die Füße bewegt wird, bis zu dem Ausmaß, der als Ergebnis der Abnahme der Abstände zwischen den Bereichen der Arme, welche den Boden kontaktieren, und der entsprechenden Bereiche der Füße, die den Boden kontaktieren, möglich ist;
19 dazu verwendet wird, die Reihe an Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, um zu bewirken, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem Zustand, auf dem er auf dem Rücken liegt, aufsteht. Insbesondere zeigt 19 einen Zustand, bei dem die Schwerkraftmitte G weiter nach oben bewegt wird, wobei veranlasst wird, dass der Roboter eine ausgestreckte Position annehmen wird;
20 dazu verwendet wird, die Reihe an Operationen zu zeigen, die ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem Zustand, bei dem er auf dem Rücken liegt, aufsteht. Insbesondere zeigt 20 einen Zustand, bei dem der Roboter sich seiner aufrechten Lage als Ergebnis der Bewegung der Schwerkraftmitte G nach oben durch weiteres Ausstrecken der Beine nähert;
21 dazu verwendet wird, ein Beispiel eines Betriebsmusters zu zeigen, um zu bewirken, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von einem liegenden Seitenzustand aufsteht. Insbesondere zeigt 21 einen Zustand, unmittelbar, nachdem der auf Beinen laufende Roboter 100 auf die Fläche des Bodens in eine liegende Seitenlage umgefallen ist;
22 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem liegenden Seitenzustand aufsteht. Insbesondere zeigt 22 einen Zustand, bei dem die Ausübung des Betriebsmusters begonnen wird, um die Lage des auf Beinen laufenden Roboters 100, nachdem bestimmt wurde, dass dieser in der liegenden Seitenlage ist, auf eine Lage zu ändern, bei der er auf dem Gesicht liegt;
23 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem liegenden Seitenzustand aufsteht. Insbesondere zeigt 23 einen Zustand, bei dem das obere Teil des Körpers des Roboters sich der Lage nähert, bei der er auf dem Gesicht liegt, als Ergebnis der Drehung eines Rumpfschwenkachsen-Betätigungsorgans A₇;
24 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 vom liegenden Seitenzustand her aufsteht. Insbesondere zeigt 24 einen Zustand, bei dem sich der Roboter weiter der Lage nähert, bei welcher er auf dem Gesicht liegt, wobei veranlasst wird, dass der linke Arm in Kontakt mit dem Boden kommt;
25 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 vom liegenden Seitenzustand her aufsteht. Insbesondere zeigt 25 einen Zustand, bei dem der linke Arm in Kontakt mit dem Boden ist, wobei veranlasst ist, dass der gesamte Körper des auf Beinen laufenden Roboters 100 in Richtung auf die Vorderseite der Ebene der Figur fällt, als Ergebnis der Fortsetzung der Drehung des Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsorgans A₇ und des linken Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsorgans A₁₇;
26 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem liegenden Seitenzustand aufsteht. Insbesondere zeigt 26 einen Zustand, bei dem der Roboter vollständig in seiner auf dem Gesicht liegenden Lage sich befindet, als Ergebnis der Fortsetzung der Drehung des Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsorgans A₇ und des linken Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsorgans A₁₇;
27 dazu verwendet wird, ein Beispiel eines Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem liegenden Seitenzustand aufsteht. Insbesondere zeigt 27 einen Zustand, bei dem die Lage des Roboters sich sanft vom liegenden Seitenzustand zu dem Zustand, wo er auf dem Gesicht liegt, ändert, als Ergebnis der Betätigung des Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsorgans A₇ und eines Rumpfroll-Achsenbetätigungsorgans A₆;
28 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betätigungsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 vom liegenden Seitenzustand aufsteht. Insbesondere zeigt 28 einen Zustand, bei dem die Lage des Roboters sich sanft vom liegenden Seitenzustand zu dem Zustand, bei dem er auf dem Gesicht liegt, ändert, als Ergebnis der Betätigung des Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsorgans A₇ und des Rumpfroll-Achsenbetätigungsorgans A₆;
29 dazu verwendet wird, ein weiteres Beispiel eines Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem Zustand, auf dem auf dem Rücken liegt, aufsteht. Insbesondere zeigt 29 einen Zustand, unmittelbar, nachdem der auf Beinen laufende Roboter 100 auf die Fläche des Bodens in die Position gefallen ist, bei der er auf dem Rücken liegt;
30 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem auf dem Rücken liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 30 einen Zustand, bei dem das obere Teil des Körpers relativ durch Drehung beider Hüftgelenkschwenk-Achsenbetätigungsorgane A₁₆ verdreht wird und die Mitte der Schwerkraft in der Drehrichtung als Ergebnis der Drehung bei der linken und rechten Gelenkeinstellachse bewegt wird;
31 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem auf dem Rücken liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 31 einen Zustand, bei dem das gesamte rechte Bein weiter in die Drehrichtung als Ergebnis einer Drehdrehung des rechten Hüftgelenkschwenk-Achsenbetätigungsorgans A₁₆ gedreht wird;
32 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 vom dem Zustand aufsteht, wo er auf dem Rücken liegt. Insbesondere zeigt 32 einen Zustand, bei dem ein Kontakt des rechten Arms mit dem Boden als Ergebnis der Drehung des Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsorgans A₇ sichergestellt ist;
33 dazu verwendet wird, um das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem Zustand, bei dem er auf dem Rücken liegt, aufsteht. Insbesondere zeigt 33 einen Zustand, bei dem die Drehbewegung allmählich als Ergebnis der Drehung der Taille in einer vorher festgelegten Richtung der Drehung ausgeführt wird, wobei hauptsächlich das rechte Hüftgelenk-Schwenkachsenbetätigungsorgan A₁₆ gedreht wird;
34 dazu verwendet wird, das Beispiel des Betriebsmusters zu zeigen, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 von dem auf dem Rücken liegenden Zustand aufsteht. Insbesondere zeigt 34 einen Zustand, bei dem das Ändern der Lage des auf Beinen laufenden Roboters 100 auf die Lage, bei der er auf der Seite liegt, fast beendet ist;
35 eine Außenansicht des Aufbaus eines (herkömmlichen) auf Beinen laufenden Roboters ist, der in einer aufrechten Lage auf zwei Füßen läuft;
36 einen Zustand zeigt, bei der der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, in einer aufrechten Lage steht (herkömmliches Beispiel);
37 einen Zustand zeigt, bei dem der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, läuft (herkömmliches Beispiel). Insbesondere zeigt 37 einen Zustand, bei dem das linke und das rechte Bein abwechselnd zwischen einem stehenden Zustand und einem schwingenden Zustand umschalten;
38 einen Zustand zeigt, bei dem der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, in den Zustand, bei dem er auf dem Gesicht liegt, gefallen ist (herkömmliches Beispiel);
39 ein Betriebsmuster zeigt, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, von seiner Lage, wo er auf dem Gesicht liegt, aufsteht, wenn er umgefallen ist. Insbesondere zeigt 39 einen Zustand, bei dem die Schwerkraftmitte des Roboters nach oben bewegt wird, wobei die relativen Abstände zwischen Bereichen der Arme, die den Boden kontaktieren, und den entsprechenden Bereichen der Beine, die den Boden kontaktieren, vermindert werden (herkömmliches Beispiel);
40 das Betriebsmuster zeigt, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, von der auf dem Gesicht liegenden Lage aufsteht, wenn er umgefallen ist. Insbesondere zeigt 40 einen Zustand, bei dem die Füße nach vorne bewegt werden, während die Schwerkraftmitte des Roboters nach oben bewegt wird (herkömmliches Beispiel);
41 das Betriebsmuster zeigt, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, von der auf dem Gesicht liegenden Lage aufsteht, wenn er umgefallen ist. Insbesondere zeigt 40 einen Zustand, bei dem die Arme vom Boden weg bewegt werden, als Ergebnis der Bewegung des ZMP des auf Beinen laufenden Roboters innerhalb eines stabilen Lagebereichs (herkömmliches Beispiel);
42 das Betriebsmuster zeigt, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, von dem auf dem Gesicht liegenden Zustand aufsteht, wenn er umgefallen ist. Insbesondere zeigt 42 einen Zustand, bei dem der Aufstehbetrieb als Ergebnis eines weiteren Ausstreckens der Beine beendet wird, nachdem die Arme des auf Beinen laufenden Roboters sich vom Boden weg bewegt haben (herkömmliches Beispiel);
43 einen Zustand zeigt, bei dem der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, in der auf dem Rücken liegenden Lage ist, wenn er umgefallen ist (herkömmliches Beispiel);
44 ein Betriebsmuster zeigt, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, von der auf dem Rücken liegenden Lage aufsteht, wenn er umgefallen ist. Insbesondere zeigt 44 einen Zustand, bei dem die Schwerkraftmitte nach oben bewegt wird, wobei veranlasst wird, dass der Roboter eine Lage annimmt, bei der die Arme und die Beine die Fläche des Bodens berühren (herkömmliches Beispiel);
45 das Betriebsmuster zeigt, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, von der auf dem Rücken liegenden Lage aufsteht, wenn er umgefallen ist. Insbesondere zeigt 45 einen Zustand, bei dem die relativen Abstände zwischen den Füßen und den Armen des auf Beinen laufenden Roboters, welche den Boden kontaktieren, vermindert sind (herkömmliches Beispiel);
46 das Betriebsmuster zeigt, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, von der auf dem Rücken liegenden Lage aufsteht, wenn er umgefallen ist. Insbesondere zeigt 46 einen Zustand, bei dem die Schwerkraftmitte des auf Beinen laufenden Roboters über Bereiche bewegt wird, wo die Füße den Boden kontaktieren (herkömmliches Beispiel);
47 das Betriebsmuster zeigt, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter, der in 35 gezeigt ist, von der auf dem Rücken liegenden Lage aufsteht, wenn er umgefallen ist. Insbesondere zeigt 47 einen Zustand, bei dem der Aufstehbetrieb als Ergebnis eines weiteren Ausstreckens der Beine beendet wurde, nachdem die Arme des auf Beinen laufenden Roboters von der Fläche des Bodens weg bewegt wurden;
48 einen Zustand zeigt, bei dem der auf Beinen laufende Roboter unfähig wird, die Bewegung fortzusetzen, während er von der auf dem Rücken liegenden Lage aufsteht (herkömmliches Beispiel); und
49 eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Gelenkmodellstruktur des auf Beinen laufenden Roboters ist.
Anschließend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich mit Hilfe der Zeichnungen erläutert.
1 und 2 sind eine vordere Ansicht und eine Rückansicht, die einen menschenähnlichen auf Beinen laufenden Roboter 100 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, der in einer aufrechten Position steht. Wie in Figuren gezeigt ist, umfasst der auf Beinen laufende Roboter 100 untere Gliedmaßen oder das linke und rechte Bein, die zur Bewegung verwendet werden, einen Rumpf, linke und rechte obere Gliedmaßen, einen Kopf und einen Steuerabschnitt.
Die rechten und linken Gliedmaßen besitzen jeweils einen Schenkel, ein Kniegelenk, ein Schienbein, einen Knöchel, und einen Fuß, und sind im Wesentlichen mit dem Boden des Rumpfes durch entsprechende Hüftgelenke verbunden. Die rechten und linken oberen Gliedmaßen umfassen obere Arme, Ellbogengelenke und vordere Arme und sind mit ihren entsprechenden oberen linken und rechten Seitenrändern mit dem Rumpf durch entsprechende Schultergelenke verbunden. Der Kopf ist im Wesentlichen mit dem obersten mittleren Bereich des Rumpfes durch ein Halsgelenk verbunden.
Der Steuerungsabschnitt ist ein Gehäuse, in welchem eine Steuerung (ein Hauptsteuerungsabschnitt) zum Steuern der Betätigung jedes Gelenkbetätigungsorgans, welches den auf Beinen laufenden Roboter 100 bildet, und um externe Eingabeinformation von beispielsweise jedem Sensor (wird später beschrieben), und peripheren Geräten, beispielsweise einer Spannungsversorgungsschaltung, zu verarbeiten. Der Steuerungsabschnitt kann außerdem eine Fernsteuerungs-Kommunikationsschnittstelle oder eine Kommunikationseinrichtung aufweisen. In 1 und 2 wird der Steuerungsabschnitt auf dem Rücken des auf Beinen laufenden Roboters 100 getragen, wobei jedoch der Ort, wo der Steuerungsabschnitt angeordnet wird, nicht besonders eingeschränkt ist.
Ein Merkmal des auf Beinen laufenden Roboters 100 der Ausführungsform besteht darin, dass dessen Rumpf mit Freiheitsgraden an seinem Gelenk versehen ist. Damit der auf Beinen laufende Roboter 100 zusammen mit Menschen existieren kann, ist es wichtig, einen Mechanismus bereitzustellen, der so flexibel wie ein mit einer Wirbelsäule versehener Mechanismus ist, um verschiedene Arten komplizierter Operationen in der Lebensumgebung/im Lebensraum von Menschen (früher erläutert) durchzuführen. Die Freiheitsgrade, die am Gelenk des Rumpfs vorgesehen sind, entsprechen dem Rückgrad eines Menschen.
3 und 4 sind vergrößerte Ansichten, welche die Struktur des Rumpfs des auf Beinen laufenden Roboters 100 zeigen.
Wie in diesen Figuren gezeigt ist, besitzt das Gelenk des Rumpfes drei Freiheitsgrade, welche entsprechend mit einer Rumpfrollachse, einer Rumpfeinstellachse und einer Rumpfschwenkachse bereitgestellt werden. Um beispielsweise einen Rumpfrollachsen-Betätigungsbetrieb auszuführen, kann der auf Beinen laufende Roboter 100 sein oberes Teil des Körpers in Richtung nach links und rechts in bezug auf seine unteren Gliedmaßen verschwenken. Durch Durchführen eines Rumpfeinstellachsen-Betätigungsbetriebs kann sich der auf Beinen laufende Roboter selbst biegen, so dass er eine V-Formlage in einem zweiten Hauptschnitt hat. Durch Durchführen eines Rumpfschwenkachsen-Betätigungsbetriebs kann der auf Beinen laufende Roboter seinen oberen Körper in bezug auf seine unteren Gliedmaßen drehen, so dass er eine Drehlage annimmt.
5 zeigt schematisch einen Gelenkaufbau des auf Beinen laufenden Roboters 100, der seine Freiheitsgrade bereitstellt.
Wie in 5 gezeigt ist, besitzt der auf Beinen laufende Roboter 100 ein oberes Teil des Körpers, welches zwei Arme und einen Kopf 1 aufweist, untere Gliedmaßen oder zwei Beine, die zur Bewegung verwendet werden, und einen Rumpf, der die oberen Gliedmaßen und die unteren Gliedmaßen miteinander verbindet.
Ein Halsgelenk, welches den Kopf 1 trägt, besitzt drei Freiheitsgrade, welche entsprechend mit einer Halsgelenk-Schwenkachse 2, einer Halsgelenk-Einstellachse 3 und einer Halsgelenk-Rollachse 4 bereitgestellt sind.
Jeder Arm besitzt eine Schultergelenk-Einstellachse 8, eine Schultergelenk-Rollachse 9, eine obere Arm-Schwenkachse 10, eine Ellbogengelenk-Einstellachse 11, eine vordere Arm-Schwenkachse 12, eine Handgelenk-Rollachse 14 und eine Hand 15. Jede Hand 15 besitzt in Wirklichkeit eine Struktur, die mehrere Finger aufweist, um somit viele Gelenke und Freiheitsgrade zu haben. Da jedoch der Betrieb jeder Hand 15 selbst selten zum Stabilitätspositions-Steuerungsbetrieb und zum Gehsteuerungsbetrieb des Roboters 100 beiträgt und diesen beeinflusst, wird angenommen, dass jede Hand bei der Ausführungsform keine Freiheitsgrade besitzt. Daher besitzt bei der Ausführungsform jeder Arm sieben Freiheitsgrade.
Der Rumpf besitzt drei Freiheitsgrade, welche entsprechend mit einer Rumpfeinstellachse 5, einer Rumpfrollachse 6 und einer Rumpfschwenkachse 7 vorgesehen sind. (siehe die obige Beschreibung und 3 und 4).
Die Beine, welche die unteren Gliedmaßen aufweisen, besitzen jeweils eine Hüftgelenk-Schwenkachse 16, eine Hüftgelenk-Einstellachse 17, eine Hüftgelenk-Rollachse 18, eine Kniegelenk-Einstellachse 19, eine Knöchelgelenk-Einstellachse 20, eine Knöchelgelenk-Rollachse 21 und einen Fuß (oder eine Sohle) 22. Die Punkte, wo die Hüftgelenk-Einstellachsen 17 und ihre entsprechenden Hüftgelenk-Rollachsen 18 sich schneiden, sind als die Lagen der Hüftgelenke des Roboters 100 bei der Ausführungsform definiert. Die Füße (oder die Sohlen) 22 des menschlichen Körpers haben in Wirklichkeit Strukturen, welche viele Gelenke und Freiheitsgrade aufweisen. Es wird jedoch angenommen, dass die Sohlen des auf Beinen laufenden Roboters 100 der Ausführungsform keine Freiheitsgrade haben. Daher besitzt bei der Ausführungsform jeder Fuß sechs Freiheitsgrade.
Zusammengefasst beträgt die Gesamtzahl der Freiheitsgrade des auf Beinen laufenden Roboters 100 der Ausführungsform 3 + 7 × 2 + 3 + 6 × 2 = 32. Die Anzahl der Freiheitsgrade eines menschlichen Unterhaltungsroboters 100 ist jedoch nicht notwendigerweise auf 32 beschränkt. Es ist offensichtlich, dass die Anzahl von Freiheitsgraden, d.h., die Anzahl von Gelenken wenn notwendig vergrößert oder verkleinert werden kann gemäß beispielsweise den speziellen Erfordernissen und den Beschränkungsbedingungen beim Konstruieren und beim Herstellen des Roboters.
Jeder Freiheitsgrad des oben beschriebenen auf Beinen laufenden Roboters 100 wird in Wirklichkeit unter Verwendung eines Betätigungsorgans bereitgestellt. Um den Erfordernissen zum Annähern der Form des Roboters an die natürliche Form eines Menschen gerecht zu werden, wobei besondere Ausbuchtungen von seinem externen Erscheinungsbild entfernt sind, und um die Lage einer nicht stabilen Struktur zum Gehen auf zwei Füßen zu steuern, ist es vorteilhaft, kleine und leichte Betätigungsorgane zu verwenden. Bei der Ausführungsform werden beim menschenähnlichen Roboter 100 kleine AC-Servobetätigungsorgane verwendet, welche unmittelbar mit Zahnrädern verbunden sind und welche in einem Motor ein Servosteuersystem enthalten, welches als Ein-Chip-System ausgebildet ist. Diese Art von AC-Servobetätigungsgliedern ist beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung Nr. 11-33 386 offenbart, die schon der Anmelderin übertragen wurde.
Bei dem auf Beinen laufenden Roboter 100, der die Struktur aufweist, die die Freiheitsgrade aufweist, die in 5 gezeigt sind, wurde oben angenommen, dass dieser stolpert oder umfällt. Die strukturellen Teile davon sind so angeordnet, dass der Roboter 100 zurückgestellt werden kann, d.h., von fast jeder seiner Positionen, wo er umgefallen ist, aufstehen kann (siehe nachstehend beschriebene Details). Daher ist es vorteilhaft, dass die Abgabedrehmoment-Spezifikationserfordernisse jedes bewegbaren Teils beim Zurückstellbetrieb von der Umfallposition in Betracht gezogen werden.
6 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Steuerungssystems des menschenähnlichen Roboters 100. Wie in 6 gezeigt ist, besitzt der auf Beinen laufende Roboter 100 mechanische Einheiten 30, 40, 50R/L und 60R/L, die entsprechend der vier Gliedmaßen eines menschlichen Körpers gebildet sind. Der auf Beinen laufende Roboter 100 besitzt außerdem einen Steuerungsabschnitt 80, um einen geeigneten Steuerungsbetrieb durchzuführen, um harmonische Bewegungen zwischen jeder der mechanischen Einheiten zu erreichen (das R und L in 50R/L und in 60R/L sind für rechts bzw. links bezeichnend. Dies gilt auch für R und L, die bei den Bezugszeichen unten erscheinen).
Die Bewegung des auf Beinen laufenden Roboters 100 wird allgemein durch den Steuerungsabschnitt 80 gesteuert. Der Steuerungsabschnitt 80 besitzt einen Hauptsteuerungsabschnitt 81 und eine periphere Schaltung 82. Der Hauptsteuerungsabschnitt 81 besitzt Hauptschaltungskomponenten (nicht gezeigt), beispielsweise eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) als Chip und einen Speicherchip. Die periphere Schaltung 82 besitzt eine Schnittstelle (nicht gezeigt), um die Übertragung von Daten und Befehlen beispielsweise zwischen einer Spannungsversorgung und allen strukturellen Elementen des Roboters zu ermöglichen.
Bei der Ausführungsform besitzt die Spannungsversorgung einen Aufbau (in 4 nicht gezeigt), der eine Batterie aufweist, um den auf Beinen laufenden Roboter 100 unabhängig zu betätigen. Wenn eine unabhängig-betriebene Betätigungsart verwendet wird, ist der Radius der körperlichen Bewegung des auf Beinen laufenden Roboters 100 nicht durch ein Spannungsversorgungskabel beschränkt, sondern dieser kann frei laufen. Zusätzlich ist es, wenn er läuft oder während verschiedener anderer Bewegungen, beispielsweise der oberen Gliedmaßen, nicht weiter notwendig, eine Störung mit dem Spannungsversorgungskabel in Betracht zu ziehen, so dass die Bewegungen leicht gesteuert werden können.
Jeder Freiheitsgrad des auf Beinen laufenden Roboters 100, der in 5 gezeigt ist, wird unter Verwendung eines entsprechenden Betätigungsglieds bereitgestellt. Insbesondere besitzt die Kopfeinheit 30 ein Halsgelenk-Schwenkachsenbetätigungsglied A₂, ein Halsgelenk-Einstellachsenbetätigungsglied A₃, und ein Halsgelenk-Rollachsenbetätigungsglied A₄, welche entsprechend der Halsgelenk-Schwenkachse 2, der Halsgelenk-Einstellachse 3 und der Halsgelenk-Rollachse 4 angeordnet sind.
Der Rumpf 40 besitzt ein Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglied A₅, ein Rumpfroll-Achsenbetätigungsglied A₆ und ein Rumpfschwenk- Achsenbetätigungsglied A₇, die entsprechend zu der Rumpfeinstellachse 5, der Rumpfrollachse 6 und der Rumpfschwenkachse 7 angeordnet sind.
Die Armeinheiten 50R/L sind in obere Armeinheiten 51R/L, Ellbogengelenkeinheiten 52R/L und Vorderarmeinheiten 53R/L unterteilt. Alle Armeinheiten 50R/L besitzen ein Schultergelenk-Einstellachsenbetätigungsglied A₈, ein Schultergelenk-Rollachsenbetätigungsglied A₉, ein Oberarm-Schwenkachsenbetätigungsglied A₁₀, ein Ellbogengelenk-Einstellachsenbetätigungsglied A₁₁, ein Ellbogengelenk-Rollachsenbetätigungsglied A₁₂, ein Handgelenk-Einstellachsenbetätigungsorgan A₁₃, und ein Handgelenk-Rollachsenbetätigungsglied A₁₄, die entsprechend zur Schultergelenk-Einstellachse 8, seiner entsprechenden Schultergelenk-Rollachse 9, seiner entsprechenden Oberarm-Schwenkachse 10, seiner entsprechenden Ellbogengelenk-Einstellachse 11, seiner entsprechenden Ellbogengelenk-Rollachse 12, seiner entsprechenden Handgelenk-Einstellachse 13 und seiner entsprechenden Handgelenk-Rollachse 14 angeordnet sind.
Die Beine 60R/L sind in Schenkel 61R/L, Knie 62R/L und Schienbeine 63R/L unterteilt. Alle Beine 60R/L besitzen ein Hüftschwenkachsen-Betätigungsglied A₁₆, ein Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglied A₁₇, ein Hüftgelenk-Rollachsenbetätigungsglied A₁₈, ein Kniegelenk-Einstellachsenbetätigungsglied A₁₉, ein Knöchelgelenk-Einstellachsenbetätigungsglied A₂₀ und ein Knöchelgelenk-Rollachsenbetätigungsglied A₂₁, welche entsprechend ihrer Hüfgelenk-Schwenkachse 16, ihrer entsprechenden Hüftgelenk-Einstellachse 17, ihrer entsprechenden Hüftgelenk-Rollachse 18, ihrer entsprechenden Kniegelenk-Einstellachse 19, ihrer entsprechenden Knöchelgelenk-Einstellachse 20 und ihrer entsprechenden Knöchelgelenk-Rollachse 21 angeordnet sind.
Vorzugsweise ist jedes Betätigungsglied A₂, A₃,... ein kleines AC-Servobetätigungsglied (oben beschrieben), welches unmittelbar mit Zahnrädern verbunden ist und welches in einem Motor ein Servosteuerungssystem aufweist, welches aus einem Ein-Chip-System gebildet ist.
Hilfssteuerungsabschnitte 35, 45, 55 und 65 zum Steuern der Ansteuerung der entsprechenden Betätigungsglieder sind für die entsprechenden mechanischen Einheiten angeordnet, beispielsweise für die Kopfeinheit 30, die Rumpfeinheit 40, die Armeinheiten 50 und die Fußeinheiten 60. Bodenkontakt-Bestätigungssensoren 91 und 92 zum Ermitteln, ob die Sohlen der Beine 60R und 60L auf dem Boden gelandet sind, sind installiert. Ein Lagesensor 93 zum Messen der Lage ist im Rumpf 40 installiert. Unter Verwendung der Ausgangssignale von den Sensoren 91 bis 93, werden die Zeitdauer, während die Sohlen 22 auf dem Boden sind oder vom Boden beabstandet sind, die Neigung des Rumpfes und dgl. ermittelt, um eine dynamische Korrektur des Steuerungssollwerts zu erlauben.
Der Hauptsteuerungsabschnitt 80 steuert geeignet die Hilfssteuerungsabschnitte 35, 45, 55 und 65 als Antwort auf die Ausgangssignale von den Sensoren 91 bis 93, um zu erlauben, dass sich die oberen Gliedmaßen, der Rumpf und die unteren Gliedmaßen des auf Beinen laufenden Roboters harmonisch bewegen. Gemäß beispielsweise von Benutzerbefehlen ruft der Hauptsteuerungsabschnitt 81 das vorher festgelegte Betriebsmuster auf und legt die Bewegungen der Beine, des ZMP-Pfads (Moment-Nullpunkt-Pfads), die Bewegung des Rumpfes, die Bewegung der oberen Gliedmaßen, die Höhe der Taille usw. fest. Danach sendet er Befehle (d.h., Befehlsdaten, welche zu den Betätigungsgliedern gesendet werden müssen,) für Operationen als Antwort auf die oben erwähnten Einstellungen zu allen Hilfssteuerabschnitten 35, 45, 55 und 65. Danach interpretiert jeder Hilfssteuerungsabschnitt 35, 45,... seinen entsprechenden Befehl, den er vom Hauptsteuerungsabschnitt 81 empfangen hat, um ein entsprechendes Betätigungssteuersignal an alle Betätigungsglieder A₂, A₃,... auszugeben.
Der ZMP ist der Punkt auf der Bodenfläche, wo das Moment, welches von der Bodenreaktionskraft resultiert, wenn der Roboter läuft, gleich null ist. Der ZMP-Weg bezieht sich auf den Bewegungsweg des ZMP, wenn beispielsweise der Roboter 100 läuft.
Der auf Beinen laufende Roboter 100 kann ein unabhängig-arbeitender Roboter sein, oder ein Roboter, der durch eine Fernsteuerung gesteuert wird. Ein durch eine Fernsteuerung gesteuerter Roboter besitzt eine Kommunikationseinrichtung (beispielsweise drahtloses oder verdrahtetes LAN, beispielsweise Ethernet) zur Kommunikation mit einer externen Steuerungseinrichtung und eine Kommunikationsschnittstelle, die 6 nicht gezeigt ist, und kann die Ausgangssignale von den Sensoren verarbeiten und den Betätigungsbetrieb aller Betätigungsglieder A₂, A₃,... durch den entsprechenden Befehlswert steuern, der nicht von dem Hauptsteuerungsabschnitt 80 geliefert wird, sondern von der externen Steuerungseinrichtung.
Es wird nun die Arbeitsweise und die Prozedur, die ausgeführt werden, wenn der auf Beinen laufende Roboter 100 stolpert oder fällt, beschrieben. 7 zeigt schematisch in Flussdiagrammform den Betrieb und die Prozedur, die ausgeführt werden, wenn der auf Beinen laufende Roboter 100 stolpert oder fällt.
Auf der Basis des Ausgangssignals jedes Sensors, beispielsweise des Lagesensors 93, ermittelt der Hauptsteuerungsabschnitt 80 oder bestimmt, dass der Roboter 100 sich nicht mehr in seiner üblichen Lage befindet und umgefallen ist (Schritt S11). Beispielsweise bestimmt der Hauptsteuerungsabschnitt 80, dass der Roboter 100 umgefallen ist, durch den Unterschied zwischen der Lage, die gemessen wurde, und der aktuellen Lage oder mittels der Sohleneinstellbestätigungssensoren 91 und 92.
Die üblichen Lagen, die der auf Beinen laufende Roboter 100 einnimmt, wenn er fällt, sind die Lage, bei er auf dem Gesicht liegt, die Lage, bei er auf dem Rücken liegt, und die Lage, bei der er auf der Seite liegt. Das Ausgangssignal vom Lagesensor 93 erlaubt es, dass die Richtung des Lagesensors-Befestigungsbereichs in bezug auf die Richtung der Schwerkraft ermittelt wird. Gemeinsam damit kann durch Messen des Versatzwinkels gemäß jedem Freiheitsgrad an seinem entsprechenden Gelenk des auf Beinen laufenden Roboters 100 die Lage des Roboters 100, wenn er umgefallen ist, ermittelt werden (Schritt S12).
Wenn die Lage des Roboters 100, der umgefallen ist, ermittelt wird, ruft der Hauptsteuerungsabschnitt 80 das Aufsteh-Betriebsmuster gemäß der Umfalllage, beispielsweise der Lage, wo er auf dem Gesicht liegt auf, der Lage, wo auf dem Rücken liegt, oder der Lage, wo er auf der Seite liegt, auf und führt Berechnungsoperationen durch, um das Aufsteh-Betriebsmuster zu erzeugen (Schritt S13).
Dann werden gemäß dem erhaltenen Aufsteh-Betriebsmuster die Bewegung der Füße, der ZMP-Pfads, die Bewegung des Rumpfes, die Bewegung der oberen Gliedmaßen, die Höhe der Taille, usw. eingestellt, und Befehle (d.h., Befehlsdaten, welche zu den Betätigungsgliedern gesendet werden), um Betriebsweisen gemäß den Details dieser Einstellungen zu befehlen, werden zu den Hilfssteuerungsabschnitten 35, 45, 55 und 65 geliefert (Schritt S14).
Als Folge davon werden die Betätigungsglieder A₂, A₃,... synchron betätigt, damit der auf Beinen laufende Roboter 100 seinen gesamten Körper harmonisch bewegen kann und aufstehen kann (Schritt S15).
Offensichtlich gibt es verschiedene Arten von erforderlichen Aufstehbetriebsmustern für den auf Beinen laufenden Roboter 100, der umgefallen ist, in Abhängigkeit von den Umfallpositionen. Dieser Punkt wird später ausführlich beschrieben.
Wenn der auf Beinen laufende Roboter 100 ein unabhängig-betriebener Roboter ist, ist es für den Hauptsteuerungsabschnitt 80 notwendig, alle folgenden Operationen durchzuführen, d.h., zu bestimmen, ob der Roboter 100 umgefallen ist, die Umfallposition zu bestimmen, das Aufstehbetriebsmuster einzustellen und die Aufstehoperationen zu steuern. Wenn dagegen der auf Beinen laufende Roboter 100 ein Fernsteuerungsroboter ist, bestimmt eine externe Einrichtung, ob der Roboter 100 umgefallen ist oder nicht, sie bestimmt die Umfallposition, sie erzeugt das Aufstehbetriebsmuster usw., um die Befehlswerte auf der Basis dieser Operationen über eine Kommunikationseinrichtung, beispielsweise LAN (beispielsweise Ethernet oder B1ueTooth) zum Betätigen des Roboters 100 zu empfangen.
Eine Beschreibung der Betriebsprozeduren, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 der Ausführungsform von verschiedenen Umfallpositionen aufsteht, wird nun ausführlich angegeben. Es soll überzeugend verstanden werden, dass bei der Ausführungsform unter Verwendung des bewegbaren Bereichs rund um die Einstellachse des Rumpfs, d.h., des Betätigungsglieds A₅ die flexible Bewegung der Schwerkraftmitte ermöglicht wird, um die Aufsteharbeiten zu realisieren.
(1) Aufstehen von den Zustand, bei dem er auf dem Gesicht liegt
8 bis 13 zeigen eine Reihe von Operationen, welche ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 der Ausführungsform von seinem auf dem Gesicht liegenden Zustand aufsteht.
8 zeigt einen Zustand, unmittelbar nachdem der auf Beinen laufende Roboter 100 auf die Fläche des Bodens in die auf dem Gesicht liegende Position gefallen ist. Wenn der Roboter 100 in diesem Umfallzustand ist, ermittelt der Hauptsteuerungsabschnitt 80 oder bestimmt, dass der Roboter 100 nicht länger in seiner üblichen Position ist und umgefallen ist, und zwar auf der Basis des Ausgangssignals jedes Sensors, beispielsweise des Lagesensors 93.
Danach ermittelt durch das Ausgangssignal vom Lagesensor 93 der Hauptsteuerungsabschnitt 80 die Richtung im Lagesensor-Befestigungsbereich in bezug auf die Richtung der Schwerkraft und misst den Versatzwinkel für jeden Freiheitsgrad, der an jedem Gelenk vorgesehen ist, um zu bestimmen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 umgefallen ist und z.B. in der Lage sich befindet, wo er auf dem Gesicht liegt.
9 zeigt einen Zustand, bei dem der auf Beinen laufende Roboter 100, der auf dem Gesicht liegt, damit beginnt, aufzustehen.
Im Umfallzustand, der in 8 gezeigt ist, befindet sich die Schwerkraftmitte des auf Beinen laufenden Roboters 100 an ihrer untersten Position in der Nähe der Bodenfläche. Damit der Roboter 100 von seinem Umfallzustand aufsteht und seinen stabilen aufrechten Zustand wiederherstellt, ist es zunächst notwendig, zur Schwerkraftmitte an einer hohen Position zurückzukehren. In der in 9 gezeigten Position wird die Schwerkraftmitte G allmählich nach oben bewegt, während der gesamte Körper mit den Armen und Füßen gestützt ist. Hier werden bei dem auf Beinen laufenden Roboter 100 beide Schultergelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₈, beide Ellenbogengelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₁, das Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglied A₅, die Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₇, die Knieeinstell-Achsenbetätigungsglieder A₁₉ und die Knöchelgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₂₀ hauptsächlich versetzt.
In 10 werden beide Schultergelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₈, beide Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglieder A₅ und die Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₇ hauptsächlich weiter verstellt, um die Position der Schwerkraftmitte G weiter nach oben anzuheben. Die Abstände zwischen den Bereichen der Arme, welche den Boden kontaktieren, und den entsprechenden Bereichen der Füße, welche den Boden kontaktieren, werden allmählich kleiner gemacht. Bei der in dieser Figur gezeigten Ausführungsform sind die Bereiche der Arme, welche den Boden an deren Enden kontaktieren (d.h., die Hände), und die Bereiche der Füße, welche den Boden kontaktieren, die Fußenden (d.h., die Zehen), wobei jedoch die Bereiche, die den Boden kontaktieren, nicht besonders darauf beschränkt sind.
In 11 sind die Abstände zwischen den Bereichen der Arme, welche den Boden kontaktieren, und den entsprechenden Bereichen der Füße, die den Boden kontaktieren, sogar kürzer gemacht, wodurch bewirkt wird, dass die Schwerkraftmitte G von den Füßen nach oben verschoben wird (d.h., in den stabilen Positionsbereich). Hier kontaktieren lediglich die Enden der Arme (d.h., die Fingerspitzen) den Boden, und die Bereiche der Füße, welche den Boden kontaktieren, werden auf die Sohlen der Füße übergeleitet. Der Roboter ändert seine Lage in die, welche in 11 gezeigt ist, wobei hauptsächlich beide Schultergelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₈, beide Ellenbogengelenk-Einstellachsenbetätigungsorgane A₁₁, das Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglied A₅, beide Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₇ und die Kniegelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₉ betätigt werden. Insbesondere werden das Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglied A₅ und das Kniegelenk-Einstellachsenbetätigungsglied A₁₉ maximal versetzt, und der Rumpf und die Knie werden zum möglichen Ausmaß gebogen, um den Abstand zwischen der Schwerkraftmitte G und den Sohlen der Füße geringer als die Länge der Arme zu machen. Dies ermöglicht es, beide Knie zwischen beiden Armen einzufügen, so dass die Schwerkraftmitte sanft verschoben wird.
Als Ergebnis ist der ZMP (Moment-Nullpunkt) vollständig in dem Bereich untergebracht, wo die Füße den Boden kontaktieren, wodurch es möglich wird, die Arme von der Bodenfläche weg zu bewegen. In dem Beispiel, welches bei der Abhandlung des technischen Hintergrunds beschrieben wurde, besitzt der Rumpf des Roboters keinen Freiheitsgrad, so dass es schwierig ist, den ZMP in den Bereich zu verschieben, wo die Füße den Boden kontaktieren, wenn der Roboter eine Lage annimmt, bei dem die Arme und die Füße den Boden kontaktieren. Bei der Ausführungsform besitzt der Rumpf einen Freiheitsgrad an der Einstellachse, so dass er die Position einnehmen kann, welche in 11 gezeigt ist.
12 zeigt einen Zustand, bei dem die Schwerkraftmitte G weiter nach oben verschoben wird, wobei die Enden der Arme von der Fläche des Bodens weg bewegt werden und wobei die Beine als Ergebnis der Betätigung beider Knieeinstell-Achsenbetätigungsglieder A₁₂ ausgestreckt werden. Das Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglied A₅, beide Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₇, beide Knieeinstell-Achsenbetätigungsglieder A₁₉ und die Knöcheleinstell-Achsenbetätigungsglieder A₂₀ werden hauptsächlich versetzt.
13 zeigt einen Zustand, wo sich der Roboter sich seiner aufrechten Position nähert, als Ergebnis einer weiteren Bewegung der Schwerkraftmitte G nach oben. Das Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglied A₅, beide Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₇, beide Kniegelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₉ und beide Knöchelgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₂₀ werden hauptsächlich versetzt.
Wie in 8 bis 13 gezeigt ist, kann der auf Beinen laufende Roboter 100 der Ausführungsform unabhängig von der auf dem Gesicht liegenden Lage aufstehen (ohne irgendwelche körperliche Hilfe von außerhalb). Es sollte ausreichend gewürdigt werden, dass der Versatz der Rumpfeinstellachse während des Aufstehbetriebs ein wichtiger Faktor ist.
(2) Aufstehen von dem auf dem Rücken liegenden Zustand
14 bis 20 zeigen eine Reihe an Operationen, welche ausgeführt werden, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 der Ausführungsform von dem auf dem Rücken liegenden Zustand aufsteht.
14 zeigt einen Zustand, unmittelbar nachdem der auf Beinen laufenden Roboter 100 auf die Fläche des Bodens in die auf dem Rücken liegende Position umgefallen ist. In diesem Umfallzustand ermittelt der Hauptsteuerungsabschnitt 80 oder bestimmt, dass der Roboter 100 nicht weiter in seiner üblichen Lage ist und umgefallen ist, auf der Basis des Ausgangssignals von jedem Sensor, beispielsweise dem Lagesensor 93.
15 zeigt einen Zustand, bei der auf Beinen laufende Roboter 100, dessen Umfallposition ermittelt wurde, damit beginnt, von seiner auf dem Rücken liegenden Lage aufzustehen, nachdem er umgefallen ist. Insbesondere werden zunächst beide Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₇ versetzt, um den oberen Teil des Körpers relativ anzuheben und zu veranlassen, das der Roboter eine Lage annimmt, in welcher die Taille den Boden kontaktiert. Beide Schultergelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₈ werden ebenfalls betätigt, um vorzubereiten, dass beide Arme in Kontakt mit dem Boden kommen.
16 zeigt einen Zustand, bei dem die Beine weiter versetzt werden, während die Taille mit dem Boden in Kontakt ist. Insbesondere werden beide Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₇, beide Knieeinstell-Achsenbetätigungsglieder A₁₉ und beide Knöchelgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₂₀ bewegt, um vorzubereiten, dass der Roboter die Lage einnimmt, wo die Sohlen beider Füße den Boden kontaktieren.
In 17 wird das Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglied A₅ weiter versetzt, und im gleichen Zeitpunkt werden die Abstände zwischen den Positionen der Arme, welche den Boden kontaktieren, und den entsprechenden Bereichen der Füße, welche den Boden kontaktieren, kleiner gemacht. Dies bewirkt, dass die Schwerkraftmitte G des auf Beinen laufenden Roboters sich nach oben bewegt und dass der ZMP damit beginnt, sich allmählich in Richtung auf die Beine zu bewegen.
In 18 wird der ZMP in Richtung auf die Füße durch weiteres Vermindern der Abstände zwischen den Bereichen der Arme, welche den Boden kontaktieren, und den entsprechenden Bereichen der Füße, welche den Boden kontaktieren, bewegt. Beide Kniegelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₉ werden weiter betätigt, um die Schwerkraftmitte G nach oben zu bewegen. Da entsprechend sich der ZMP in den Bereich bewegt, wo die Sohlen den Boden kontaktieren, können die Arme und die Taille weg von der Fläche des Bodens bewegt werden.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter 100 der Ausführungsform kann der ZMP in Richtung auf die Füße und in den Bereich bewegt werden, wo die Sohlen den Boden kontaktieren, wobei veranlasst wird, dass der Rumpf maximal gebogen wird und eine nach vorne gebogene Position angenommen wird. Es sollte ausreichend gewürdigt werden, dass die Arme und die Taille weg vom Boden bewegt werden können, wobei der bewegbare Bereich rund um das Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglied A₅ genutzt wird.
In 19 wird, nachdem die Arme weg vom Boden bewegt sind, die Schwerkraftmitte G weiter nach oben bewegt, wodurch der Roboter eine ausgestreckte Lage annimmt. Hier werden hauptsächlich beide Knöchelgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₂₀, beide Kniegelenk-Einstellbetätigungsglieder A₁₉, beide Hüftgelenk-Einstellbetätigungsglieder A₁₇ und das Rumpfeinstell-Achsenbetätigungsglied A₅ betätigt.
20 zeigt einen Zustand, bei dem sich der Roboter der aufrechten Position als Ergebnis der Bewegung der Schwerkraftmitte G nach oben durch weiteres Ausstrecken der Füße nähert. Es werden hauptsächlich das Rumpfeinstell- Achsenbetätigungsglied A₅, beide Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₇, beide Kniegelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₁₉ und beide Knöchelgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieder A₂₀ versetzt.
Die Position, bei der der Roboter auf dem Rücken liegt, ist allgemein eine der Umfallzustände, von welcher sich der auf Beinen laufende Roboter nicht leicht erheben kann. Der auf Beinen laufende Roboter 100 der Ausführungsform kann gemäß dem Muster an Operationen, welche in 15 bis 20 ist, leicht aufstehen, wobei der bewegbare Bereich um die Rumpfeinstellachse verwendet wird. Anders ausgedrückt kann durch Bereitstellen mehr als eines Freiheitsgrads am Rumpf, um die Bewegung zu erlauben, der Aufstehbetrieb von dem Umfallzustand leicht durchgeführt werden.
Für die Aufstehoperationen, bei denen der Roboter auf dem Rücken liegt, kann ein Betätigungsmuster, um zu veranlassen, dass der Roboter aufsteht, nachdem er auf seiner Seite liegt, zusätzlich zu dem oben beschriebenen Betätigungsmuster genutzt werden, um zu veranlassen, dass der Roboter in der Richtung der Vorderseite des Körpers aufsteht. Das frühere Betätigungsmuster wird ausführlich später beschrieben.
(3) Aufstehen von der Seitenlageposition
Sogar, wenn es für den auf Beinen laufenden Roboter 100 schwierig ist, unmittelbar von der Seitenlageposition aufzustehen, ist es möglich, die aufrechte Lage des Roboters von seinem Umfallzustand gemäß entweder beispielsweise von einem der oben erwähnten Betriebsmuster als Ergebnis eines vorübergehenden Änderns der Seitenlageposition des Roboters in eine Position herzustellen, von welcher der Roboter aufstehen kann, beispielsweise der Position, bei der er auf dem Gesicht liegt, oder der Position, auf der er auf dem Rücken liegt. Hier wird nun die Betriebsprozedur zum unabhängigen Ändern der Lage des Roboters von der liegenden Seitenposition auf die auf dem Gesicht liegende Position beschrieben. In der Beschreibung soll verstanden werden, dass die liegende Seitenposition eine horizontal-symmetrische Position auf der linken und rechten Seite ist (dies gilt für das, was anschließend folgt).
21 bis 26 zeigt ein Beispiel eines Betriebsmusters, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter der Ausführungsform von seiner liegenden Seitenposition aufsteht. Dieses Aufstehbetriebsmuster ändert grundsätzlich die Umfallposition in den Zustand, wo der Roboter auf dem Gesicht liegt, wobei der bewegbare Bereich um die Rumpfschwenkachse verwendet wird.
21 zeigt einen Zustand, unmittelbar, nachdem der auf Beinen laufende Roboter 100 auf die Fläche des Bodens in die liegende Seitenlage umgefallen ist. In diesem Umfallzustand ermittelt der Hauptsteuerungsabschnitt 80 oder bestimmt, dass der Roboter nicht weiter in seiner üblichen Lage ist und umgefallen ist.
22 zeigt einen Zustand, bei dem das Ausüben des Betriebsmusters begonnen wird, um die Lage des auf Beinen laufenden Roboters 100, nachdem bestimmt wurde, dass dieser in der liegenden Seitwärtslage ist, auf die Position zu ändern, wo er auf dem Gesicht liegt. Insbesondere werden das linke Schultergelenk-Einstellachsenbetätigungsglied A₈ und dgl. versetzt, um zu versuchen, die Schwerkraftmitte G als Ergebnis des Bewegens des linken Arms in Richtung auf die Vorderseite des Körpers zu versetzen.
In 23 nähert sich das obere Teil des Körpers der Lage, bei dem der Roboter auf dem Gesicht liegt, wobei das Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsorgan A₇ gedreht wird. Im gleichen Zeitpunkt wird das linke Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsorgan A₁₇ versetzt, um den gesamten linken Arm in Richtung auf die Vorderseite des Körpers zu bewegen, wodurch die Schwerkraftmitte G in Richtung auf die vordere Seite der Ebene der Figur bewegt wird.
In 24 kommt der linke Arm in Kontakt mit dem Boden, so dass sich der Roboter weiter der Position, auf der er auf dem Gesicht liegt, nähert, als Ergebnis des Fortsetzens der Drehbewegung des Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsglieds A₇ und des linken Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieds A₁₇.
In 25 verliert die Schwerkraftmitte G Stabilität als Ergebnis der Fortsetzung der Drehbewegung des Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsglieds A₇ und des linken Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieds A₁₇. Daher fällt der gesamte Körper des auf Beinen laufenden Roboters 100 in Richtung auf die Vorderseite der Ebene der Figur, und der linke Arm kommt mit dem Boden in Kontakt. Die Änderung der Lage des oberen Teils des Körpers in die Lage, bei der er auf dem Gesicht liegt, hat beträchtlich zugenommen.
In 26 hat sich die Lage des auf Beinen laufenden Roboters 100 vollständig auf die Lage, bei der auf dem Gesicht liegt, als Ergebnis der Fortsetzung der Drehbewegung des Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsglieds A₇ und des linken Hüftgelenk-Einstellachsenbetätigungsglieds A₁₇ geändert. Aus dieser Position kann der auf Beinen laufende Roboter 100 unabhängig aufstehen (ohne körperliche Hilfe von außerhalb) gemäß beispielsweise dem Betriebsmuster, welches schon in 8 bis 13 gezeigt wurde.
Bei dem in 21 bis 26 gezeigten Beispiel wurde das Betriebsmuster, welches bewirkt, dass die Lage sich auf die Lage, bei der der Roboter auf dem Gesicht liegt, ändert, durch hauptsächliche Verwendung der Betätigung des Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsglieds A₇ beschrieben. Änderungen zwischen Positionen können reibungslos unter Verwendung weiterer Betriebsmuster ausgeführt werden, wie von denjenigen, welche von der Betätigung des Rumpfrollachsen-Betätigungsglieds A₆ Gebrauch machen (d.h., dem Versatz der Rumpfrollachse vor der Rumpfschwenkachse) . Das Betriebsmuster, mit dem die Lage des Roboters von der liegenden Seitenposition auf die Position, bei der auf dem Gesicht liegt, unter Verwendung des Rumpfrollachsen-Betätigungsglieds A₆ und des Rumpfschwenkachsen-Betätigungsglieds A₇ im gleichen Zeitpunkt geändert wird, wird mit Hilfe von 27 und 28 beschrieben.
In 27 ist der Roboter in einer Lage, bei der lediglich ein Fuß den Boden kontaktiert, als Ergebnis der Drehbewegung der Rumpfrollachse. In dieser Lage kann sich das obere Teil des Körpers weg vom Boden bewegen, wobei die Reaktionskraft reduziert wird, die erzeugt wird, wenn die rechte Schulter den Boden kontaktiert.
In 28 wird das Rumpfachsen-Betätigungsglied A₇ gedreht. Da das Rumpfroll-Achsenbetätigungsglied A₆ schon versetzt wurde, ist es erforderlich, dass das Drehmoment, das Rumpfschwenkachsen-Betätigungsglied A₇ zu betätigen, reduziert wird. Zusätzlich wird die Änderung der Lage des gesamten auf Beinen laufenden Roboters 100 reduziert. Als Ergebnis ist es möglich, Energie einzusparen, d.h., Kapazität der Batterie zu sparen, die erforderlich ist, wenn sich die Lage des Roboters von der liegenden Seitenposition auf die Position, bei der er auf dem Gesicht liegt, ändert.
Durch die Verwendung von zwei Betriebsmustern, die oben beschrieben wurden, ist es möglich, die Lage des auf Beinen laufenden Roboters 100 von der liegenden Seitenposition auf die Position zu ändern, wo er auf dem Gesicht liegt. Wenn die Position des Roboters vorübergehend auf die auf dem Gesicht liegenden Position geändert wird, die in 8 gezeigt ist, kann der auf Beinen laufende Roboter 100 unabhängig in seine aufrechte Lage (ohne irgendwelche körperliche Hilfe) gemäß dem Muster der Reihe von Aufstehoperationen zurückgestellt werden, welche in 9 bis 13 gezeigt sind, die oben beschrieben wurden.
Wenn der Roboter in einem Zustand ist, in welchem er sich frei bewegen kann, beispielsweise, wenn dessen Arme und Füße sich frei bewegen können, kann eine Hochgeschwindigkeitsbewegung um die Rumpfschwenkachse erzeugt werden, wobei die Reaktionskraft der resultierenden Kraft der Bewegungen verwendet wird. Wenn jedoch man über allgemeine Umfallzustände des auf Beinen laufenden mobilen Roboters nachdenkt, liefern Verfahren, welche von einer Schwungkraft Verwendung machen, wenig Verlässlichkeit, und es ist schwierig, die Bewegungsgeschwindigkeit, welche umgekehrt die Umgebung und das Beibehalten des Roboters selbst beeinträchtigen kann, zu steuern. Wenn man in Erwägung zieht, dass der Roboter nicht mehr in seiner normalen Lage ist und umgefallen ist, ist es vorteilhaft, dass das Betriebsmuster so ist, dass die Bewegungsgeschwindigkeit niedrig ist, jedoch dass Änderungen zwischen den Positionen verlässlich ausgeführt werden.
(4) Aufstehen von der auf dem Rücken liegenden Position
29 bis 34 zeigen ein weiteres Beispiel von Aufstehoperationen, die veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 der Ausführungsform von seiner Lage, bei der auf dem Rücken liegt, aufsteht. Bei dem oben beschriebenen Beispiel, welches mit Hilfe von 14 bis 20 beschrieben wurde, wurde das Betriebsmuster, um zu veranlassen, dass der auf Beinen laufende Roboter 100 in der Richtung der Vorderseite des Körpers aufsteht, eingeführt. Hier wurde das Betriebsmuster, zu veranlassen, dass der Roboter aufsteht, nachdem die Lage des Roboters von der auf dem Rücken liegenden Lage in eine andere Lage geändert wurde, wobei er sich einmal seitwärts bewegt, beschrieben.
29 zeigt einen Zustand, unmittelbar nachdem der auf Beinen laufende Roboter 100 auf die Fläche des Bodens in die Lage umgefallen ist, wo er auf dem Rücken liegt. In diesem Umfallzustand ermittelt der Hauptsteuerungsabschnitt 80 oder bestimmt, dass der Roboter nicht mehr in seiner üblichen Lage ist und umgefallen ist, auf der Basis des Ausgangssignals jedes Sensors, beispielsweise des Lagesensors 93. In diesem Beispiel wird ein Betriebsmuster, um zu veranlassen, dass die Lage des Roboters auf die liegende Seitenlage geändert wird, und dann auf die Lage, wo er auf dem Gesicht liegt, ausgewählt.
In 30 wird das obere Teil des Körpers relativ in der gewünschten Drehrichtung durch Drehen beider Hüftgelenk-Schwenkachsenbetätigungsglieder A₁₆, wobei die beiden Füße und der Rücken in Kontakt mit dem Boden sind, gedreht. Im gleichen Zeitpunkt wird verhindert, dass durch Drehen des rechten Schulter-Gelenkeinstell-Achsenbetätigungsglieds A₈ eine Störung zwischen dem oberen Teil des Körpers und der Fläche des Bodens auftritt. Zusätzlich wird durch Drehen des linken Schulter-Gelenkeinstell-Achsenbetätigungsglieds A₈ die Bewegung der Schwerkraftmitte in Richtung auf die Drehrichtung erleichtert.
In 31 wird das gesamte rechte Bein weiter in die Drehrichtung als Ergebnis der Drehung des rechten Hüftgelenk-Schwenkachsenbetätigungsglieds A₁₆ gedreht, während der linke Fuß in Kontakt mit dem Boden ist. Im gleichen Zeitpunkt werden das linke Schulter-Gelenkeinstell-Achsenbetätigungsglied A₈ und das Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsglied A₇ gedreht, um die Schwerkraftmitte in einer vorher festgelegten Richtung zu bewegen.
32 wird das Rumpfschwenk-Achsenbetätigungsglied A₇ weiter gedreht, um im Wesentlichen die Drehbewegung des oberen Teils des Körpers abzuschließen, und im gleichen Zeitpunkt sicherzustellen, dass der rechte Arm in Kontakt mit dem Boden ist.
In 33 wird hauptsächlich das rechte Hüftgelenk-Schwenkachsenbetätigungsglied A₁₆ gedreht, um die Taille in einer vorher festgelegten Drehrichtung für eine sanftere Drehbewegung zu verdrehen.
34 zeigt einen Zustand, bei dem das Ändern der Lage des Roboters auf die liegende Seitenlage fast abgeschlossen ist. Durch weiteres Drehen des Rumpfrollachsen-Betätigungsglieds A₆ kann die Drehbewegung erleichtert werden, wodurch es ermöglicht wird, die Lage des Roboters von der liegenden Seitelage auf die Lage, wo er auf dem Gesicht liegt, allmählich zu ändern.
Durch Unterstützen des Betriebsmusters zum Ändern der Lage des Roboters von der liegenden Rückenposition auf die liegende Seitenposition und dann von der liegenden Seitenposition auf die Position, wo er auf dem Gesicht liegt, muss der auf Beinen laufende Roboter 100 lediglich in der Lage sein, einen Aufstehbetrieb von der Position, wo er auf dem Gesicht liegt, auszuführen, um unabhängig von irgendeinem Umfallzustand her aufzustehen.
Durch Ausführen eines Betriebsmusters in einer Reihenfolge entgegengesetzt zu der oben erwähnten, so dass der Betrieb mit dem in 34 gezeigten Zustand beginnt und mit dem Zustand, der in 29 gezeigt ist, endet, kann die Lage des Roboters von dem liegenden Seitenzustand, der in 21 gezeigt ist, in den Zustand, wo er auf dem Rücken liegt, der in 29 gezeigt ist, geändert werden.
Durch wiederholtes Ändern der Lage von dem auf dem Rücken liegenden Zustand auf den liegenden Seitenzustand und vom liegenden Seitenzustand auf den Zustand, wo er auf den Gesicht liegt, kann sich der auf Beinen laufende Roboter 100 längs der Fläche des Bodens bewegen, d.h., längs einer Ebene, während er umgefallen ist. Wenn beispielsweise durch irgendeine Gelegenheit der Roboter sich zu einem Ort bewegt, wo es ein Hindernis über dem Roboter gibt (oder zu einem Zustand, wo die Decke niedrig ist), kann als Ergebnis des Umfallens der Roboter sich zu einem Ort bewegen, wo es kein Hindernis über ihm gibt, indem er sich in einer Ebene bewegt, während er sich in einem Umfallzustand befindet.
Die vorliegende Erfindung wurde ausführlich mit Hilfe einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass Modifikationen und Substitutionen durch den Fachmann durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In der Beschreibung wurden übliche Beispiele von Aufstehoperationen, die ausgeführt werden, wenn der auf Beinen laufende Roboter 100, der sich auf zwei Füßen bewegt, umgefallen ist, beschrieben. Die Aufstehoperationsmuster sind jedoch nicht auf die beschränkt, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es soll verstanden werden, dass das Aufstehbetriebsmuster zu einem gewünschten Muster gemäß dem Zustand und der Leistung des Körpers des Roboters oder der Umgebungszustände geändert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde mittels verschiedener Formen lediglich zu beispielhaften Zwecken beschrieben. Es soll jedoch verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Um den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu bestimmen, sollte auf die Patentansprüche der vorliegenden Erfindung bezuggenommen werden.
Beim Bestimmen des Rahmens der vorliegenden Erfindung ist es nicht geeignet, strikt den Begriff "Gelenke" des auf Beinen laufenden Roboters 100 anzuwenden, der auf zwei Füßen im Hinblick auf die in 3 gezeigten läuft, so dass dieser Ausdruck flexibel durch einen Vergleich mit dem Mechanismus des Körpers eines tatsächlichen Lebewesens interpretiert werden sollte, welches vertikal auf zwei Füßen, beispielsweise ein Mensch oder Affe, läuft.
Für einen Bezug ist eine Gelenkmodellstruktur eines auf Beinen laufenden Roboters in 49 gezeigt. Bei der in dieser Figur gezeigten Gelenkmodellstruktur werden die Abschnitte des Roboters von den Schultergelenken 5 zu den oberen Armen zu Ellbogengelenken 6 zu vorderen Armen, zu Handgelenken 7 und den Händen 8 als obere Gliedmaßenabschnitte bezeichnet. Der Abschnitt von den Schultergelenken 5 zu den Hüftgelenken 11 wird als Rumpf bezeichnet, der dem Rumpf eines Menschen entspricht. Der Abschnitt des Rumpfes insbesondere von den Hüftgelenken 11 zu Rumpfgelenken 10 wird als Taille bezeichnet. Die Rumpfgelenke 10 arbeiten so, um Freiheitsgrade bereitzustellen, die durch das Rückgrad eines Menschen bereitgestellt werden. Die Abschnitte unter den Hüftgelenken 11 einschließlich der Schenkel 12, der Kniegelenke 14, der unteren Schenkel 13, der Knöchel 15 und der Füße 16 werden als untere Gliedmaßenabschnitte bezeichnet. Allgemein wird der Teil des Körpers über den Hüftgelenken als oberer Teil des Körpers bezeichnet, während der Teil des Körpers unter den Hüftgelenken als unterer Teil des Körpers bezeichnet wird.
Es soll verstanden sein, dass die Bezugszeichen, die in 49 verwendet wurden, nicht den Bezugszeichen der anderen Figuren entsprechen, beispielsweise 5, die in der Beschreibung verwendet wurden.
Wie man aus der obigen Beschreibung verstehen kann, die ausführlich angegeben wurde, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen ausgezeichneten auf Beinen laufenden Roboter, der selbst aufstehen kann, wenn er umgefallen ist, während er beispielsweise läuft oder arbeitet, und dessen Steuerungsmechanismus bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen ausgezeichneten auf Beinen laufenden Roboter, der unabhängig aufstehen kann, wenn in unterschiedlichen Umfallpositionen liegt, und der automatisch das Arbeiten nach einer Unterbrechung der Arbeit wieder beginnen kann, die durch das Umfallen des Roboters verursacht wurde, und dessen Steuerungsmechanismus bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen ausgezeichneten auf Beinen laufenden Roboter, welcher verlässlich und allmählich unabhängig von verschiedenen Umfallpositionen aufstehen kann, beispielsweise der auf dem Gesicht liegenden Position, der Position, wo er auf dem Rücken liegt und der liegenden Seitenposition, sowie dessen Steuermechanismus bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, den Zurückstellungsbetrieb zu erleichtern, d.h., den Aufstehbetrieb von einer Umfallposition des auf Beinen laufenden Roboters. Zusätzlich werden das erforderliche Drehmoment und die Belastung der bewegbaren Bereiche mit Ausnahme der des Rumpfes während des Aufstehbetriebs reduziert. Weiter kann die Belastung zwischen allen bewegbaren Bereichen gespreizt und gemittelt werden, wodurch es möglich wird, zu verhindern, dass sich die Last auf ein bestimmtes Teil konzentriert. Als Ergebnis wird der Roboter verlässlicher betrieben, und Energie wird mit größerer Effektivität während des Aufstehbetriebs verwendet.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter nach der vorliegenden Erfindung kann durch aufeinanderfolgendes Ändern von Umfalllagen von einer Umfalllage zur anderen ein einfacherer Aufstehbetrieb selektiv ausgeführt werden.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter nach der vorliegenden Erfindung kann sich durch aufeinanderfolgendes Wiederholen mehrerer Umfalllagen der Roboter in einer Ebene bewegen, ohne aufzustehen. Daher kann der Roboter aufstehen, nachdem er sich an einen Ort bewegt hat, wie er leicht aufstehen kann.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter nach der vorliegenden Erfindung kann die Umfallposition geändert werden, so dass es möglich ist, die Anzahl und die Arten von Aufstehoperationsmustern, die unterstützt werden müssten, zu reduzieren.
Wenn beispielsweise der Roboter vorher Aufstehoperationsmuster des Roboters bereitstellt, können die Entwicklungsperiode und die Entwicklungskosten als Ergebnis der Verminderung der Anzahl von Operationsmustern vermindert werden. Durch Reduzieren der Anzahl von Operationsmustern kann die Belastung bezüglich der Hardware reduziert werden, so dass erwartet werden kann, dass das System entsprechend verbessert wird.
Wenn der Roboter unabhängig Betriebsmuster gemäß dem Zustand des Roboters erzeugt, wird durch Reduzieren der Anzahl von Betriebsmustern, die erzeugt werden, die Belastung bezüglich der Rechnereinheit, welche im Roboter selbst installiert werden muss, reduziert, wodurch es ermöglicht wird, reduzierte Geräteherstellungskosten und verlässlichere Operationen des Roboters zu erwarten.
Gemäß dem auf Beinen laufenden Roboter nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Aufstehbetriebsmuster zu beschränken, wobei die Umfallposition des Roboters geändert wird. Als Ergebnis werden beispielsweise der Operationsbereich und das Abgabedrehmoment aller Betätigungsglieder, die erforderlich sind, damit der Roboter aufsteht, reduziert. Daher kann der Roboter mit einem größeren Freiheitsgrad konstruiert werden, und die Entwicklungsperiode und die Herstellungskosten können reduziert werden. Die Verfahren, welche durchgeführt werden, zu veranlassen, dass der Roboter aufsteht, können als Ergebnis der Änderung der Umfallposition beschränkt werden, so dass es während des Aufstehbetriebs möglich ist, den Verbrauch elektrischer Leistung des Roboters einzuschränken und die Belastung der Spannungsversorgung, beispielsweise der Batterie zu reduzieren. Daher ist es möglich, die Batterielebensdauer zu steigern und um fortlaufende Operationen für eine lange Zeitdauer durch einen Ladebetrieb auszuführen, wobei als Ergebnis davon beispielsweise die Roboterarbeitszeit, der Arbeitsraum und Arbeitsdetails gesteigert werden. Da außerdem die erforderliche Batteriekapazität reduziert wird, kann die Batterie kleiner und leichter hergestellt werden, so dass der Roboter mit einem größeren Freiheitsgrad entworfen werden kann. Da weiter die Anzahl der Ausbildungserfordernisse der Batterie reduziert werden, werden die Kosten der Batterie reduziert, wodurch es möglich wird, den Betrieb und die Herstellungsausgaben des Systems insgesamt zu senken.
Insoweit die Ausführungsformen der Erfindung, die oben beschrieben wurden, durchgeführt werden, wird zumindest teilweise unter Verwendung eines software-gesteuerten Datenverarbeitungsgeräts es möglich, dass ein Computerprogramm, welches eine Software-Steuerung und einen Speicherträger aufweist, durch welchen ein derartiges Computerprogramm gespeichert wird, als Merkmale der vorliegenden Erfindung angesehen.

Claims

Auf Beinen laufender Roboter (100), der zumindest untere Arme und einen oberen Teil eines Körpers aufweist, der über den unteren Armen angeordnet ist und der durch Bewegung der unteren Arme bewegbar ist, wobei der Roboter außerdem eine Einrichtung (80, S11) aufweist, um zu bestimmen, ob der Roboter umgefallen ist oder nicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (100) eine vorher festgelegte Bewegung an einem Rumpf beherrscht, die ein Freiheitsgrad erlaubt; und eine Einrichtung (80, 40) vorgesehen ist, um ein Aufsteh-Betriebsmuster auszuführen, welches zumindest eine Verlagerung am Rumpf zur Folge hat, entsprechend der der Bewegung, die ein Freiheitsgrad erlaubt, wenn der Roboter umgefallen ist.
Auf Beinen laufender Roboter nach Anspruch 1, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad erlaubt, in einer Querrichtung (5) beherrscht, und wobei das Aufsteh-Betriebsmuster die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Querachsenrichtung erlaubt, nutzt.
Auf Beinen laufender Roboter nach Anspruch 1, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad erlaubt, in einer Gierachsenrichtung (7) beherrscht, und wobei das Aufsteh-Betriebsmuster die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Gierachsenrichtung erlaubt, nutzt.
Auf Beinen laufender Roboter nach Anspruch 1, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rollachsenrichtung (6) erlaubt, beherrscht, und wobei das Aufsteh-Betriebsmuster die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rollachsenrichtung erlaubt, nutzt.
Auf Beinen laufender Roboter nach Anspruch 1, der aufweist: eine Einrichtung (83), um die Position des Roboters zu bestimmen, wenn der Roboter umgefallen ist; und eine Einrichtung zum Ausführen eines Betriebsmusters, um auf eine andere Umfall-Position umzuwechseln, wenn der Roboter umgefallen ist.
Auf Beinen laufender Roboter nach Anspruch 5, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Querachsenrichtung (5) erlaubt, beherrscht, und wobei das Betriebsmuster zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position die Bewegung nutzt, die ein Freiheitsgrad in der Querachsenrichtung des Rumpfs erlaubt.
Auf Beinen laufender Roboter nach Anspruch 5, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die zumindest ein Freiheitsgrad in einer Gierachsenrichtung (7) erlaubt, beherrscht, und wobei das Betriebsmuster zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Gierachsenrichtung des Rumpfs erlaubt, nutzt.
Auf Beinen laufender Roboter nach Anspruch 5, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung beherrscht, die ein Freiheitsgrad in einer Rollachsenrichtung erlaubt, und wobei das Betriebsmuster zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rollachsenrichtung des Rumpfs erlaubt, nutzt.
Betriebssteuerungsverfahren eines auf Beinen laufenden Roboters (100), der zumindest untere Arme und einen oberen Teil des Körpers aufweist, der über den unteren Armen angeordnet ist und der durch Bewegung der unteren Arme bewegbar ist, wobei das Verfahren das Bestimmen (80, S11) aufweist, ob der Roboter umgefallen ist oder nicht, und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass, um einen Roboter (100) zu steuern, der eine vorher festgelegte Bewegung beherrscht, die ein Freiheitsgrad an einem Rumpf erlaubt, ein Aufsteh-Betriebsmusters ausgeführt wird (80, 40), welches zumindest eine Verlagerung entsprechend der Bewegung umfasst, die ein Freiheitsgrad am Rumpf erlaubt, wenn der Roboter umgefallen ist.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Querachsenrichtung (5) erlaubt, beherrscht, und wobei das Aufsteh-Betriebsmuster die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Querachsenrichtung des Rumpfs erlaubt, nutzt.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Gierachsenrichtung (7) erlaubt, beherrscht, und wobei das Aufsteh-Betriebsmuster die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Gierachsenrichtung des Rumpfes erlaubt, nutzt.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rollachsenrichtung (6) erlaubt, beherrscht, und wobei das Aufsteh-Betriebsmuster die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rollachsenrichtung des Rumpfes erlaubt, nutzt.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9, welches folgende Schritte aufweist: Bestimmung der Position des Roboters, wenn der Roboter umgefallen ist; und Ausführen eines Aufsteh-Betriebsmusters zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position, wenn der Roboter umgefallen ist.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 13, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Querachsenrichtung (5) erlaubt, beherrscht, und wobei das Betriebsmuster zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Querachsenrichtung des Rumpfes erlaubt, nutzt.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 13, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Gierachsenrichtung (7) erlaubt, beherrscht, und wobei das Betriebsmuster zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Gierachsenrichtung des Rumpfes erlaubt, nutzt.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 13, wobei der Rumpf zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rollachsenrichtung (6) erlaubt, beherrscht, und wobei das Betriebsmuster zum Umwechseln auf eine andere Umfall-Position die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rollachsenrichtung des Rumpfes erlaubt, nutzt.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9 zum Steuern des Betriebs eines auf Beinen laufenden Roboters (100), wenn der Roboter in eine Position umgefallen ist, bei der er auf dem Gesicht liegt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Veranlassen, dass der Roboter eine Position einnimmt, wo lediglich Arme und Beine einen Boden kontaktieren, wobei zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfquerachse (5) erlaubt, genutzt wird; Bewegung der Schwerkraftmitte des auf Beinen laufenden Roboters nach oben durch Nutzen von zumindest der Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rumpfquerachse erlaubt; Verminderung der Relativpositionen, wo Teile der Arme und entsprechende Teile der Beine den Boden kontaktieren, wobei zumindest die Bewegung, die ein Freiheitsgrad in der Rumpfquerachse erlaubt, genutzt wird; und als Ergebnis der Bewegung der Teile der Arme, welche den Boden kontaktieren, und der entsprechenden Teile der Beine, welche den Boden ausreichend eng zueinander kontaktieren, Beginnen einer Ausdehnung des gesamten Körpers als Antwort auf den Eintretens eines ZMP des auf Beinen laufenden Roboters in einem Bereich, wo die Beine den Boden kontaktieren.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9 zum Steuern des Betriebs eines auf Beinen laufenden Roboters (100), wenn der Roboter in eine Position umgefallen ist, bei der er auf dem Rücken liegt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Veranlassen, dass der Roboter eine Position annimmt, wo der obere Teil des Körpers angehoben ist, wobei zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad an einer Hüftverbindungs-Querachse (17) erlaubt, genutzt wird; Bewegung der Schwerkraftmitte des auf Beinen laufenden Roboters nach vorne unter Verwendung von zumindest einer Bewegung, die ein Freiheitsgrad an einer Rumpfquerachse (5) erlaubt; und als Ergebnis der Bewegung der Schwerkraftmitte ausreichend nach vorne Beginnen des Ausdehnens des gesamten Körpers als Antwort auf den Eintreten eines ZPM des auf Beinen laufenden Roboters in einem Bereich, wo die Füße einen Boden kontaktieren.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9 zum Steuern des Betriebs eines auf Beinen laufenden Roboters (100), wenn der Roboter in eine liegende Seitenposition umgefallen ist, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, zu veranlassen, dass der Roboter eine Position einnimmt, bei der er auf dem Gesicht liegt, wobei zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfgierachse (7) erlaubt, genutzt wird.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9 zum Steuern des Betriebs eines auf Beinen laufenden Roboters (100), wenn der Roboter in eine liegende Seitenposition umgefallen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Veranlassen, dass der obere Teil des Körpers des Roboters von der Fläche eines Bodens angehoben wird, wobei eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfrollachse (6) erlaubt, genutzt wird; und Veranlassen, dass der Roboter eine Position einnimmt, bei der er auf dem Gesicht liegt, wobei eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfgierachse (7) erlaubt, genutzt wird.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9 zum Steuern des Betriebs eines auf Beinen laufenden Roboters (100), wenn der Roboter in eine Position umgefallen ist, bei der der auf dem Rücken liegt, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, zu veranlassen, dass der Roboter eine liegende Seitenposition einnimmt, wobei zumindest eine Bewegung, die ein Freiheitsgrad in einer Rumpfgierachse (7) erlaubt, genutzt wird.
Betriebssteuerungsverfahren nach Anspruch 9 zum Steuern des Betriebs eines auf Beinen laufenden Roboters, wenn der Roboter in eine Umfall-Position gefallen ist, wobei das Verfahren zumindest einen der Schritte aufweist: (a) Ändern der Position des Roboters von der Position, bei der er auf dem Rücken liegt, in eine liegende Seitenposition; (b) Ändern der Position des Roboters von der liegenden Seitenposition auf eine Position, bei der er auf dem Gesicht liegt; (c) Ändern der Position des Roboters von der Position, bei der er auf dem Gesicht liegt, auf die liegende Seitenposition; und (d) Ändern der Position des Roboters von der liegenden Seitenposition auf die Position, bei der er auf dem Rücken liegt.