DE69102382T2

DE69102382T2 - Steuerungssystem für die Fortbewegung eines Schreit-Roboters.

Info

Publication number: DE69102382T2
Application number: DE69102382T
Authority: DE
Inventors: Hideo Takahashi; Ryutaro Yoshino
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2011-10-01
Also published as: EP0478393B1; DE69102382D1; EP0478393A1; JPH04141379A; JP2819353B2; US5343397A

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Steuern der Fortbewegung eines mit Beinen versehenen Schreitroboters und insbesondere ein System zum Steuern der Fortbewegung eines mit Beinen versehenen Schreitroboters, das es einem zweibeinigen Schreitroboter ermöglicht, stabil über unregelmäßiges Gelände zu schreiten.
Zur Erhöhung der Schreitgeschwindigkeit und Verminderung des Energieverbrauchs eines zweibeinigen Schreitroboters ist es nötig, die statische Fortbewegung, bei der sich der Schwerpunkt des Systems konstant an der Unterseite des Fußes des tragenden Beins befindet, zugunsten der dynamischen Fortbewegung aufzugeben, die das Trägheitsmoment ausnützt. Beispiele dynamischer Fortbewegung eines zweibeinigen Schreitroboters, die diesem Punkt Beachtung schenken, können in einem "Journal of the Robotics Society of Japan", Band 3, Nr. 4 (August 1985) bezeichneten Magazin gefunden werden. Ein Steuersystem zur Realisierung weichen bzw. fließenden zweibeinigen Schreitens wird in einem Artikel von Furusho et al. im "International Journal of Robotics Research", Band 9, Nr. 2, April 1990 erörtert, bei welchem die Bewegung in die Sagittal- und Lateralebenen aufgeteilt und eine Kraft/Drehmoment-Rückführ- Steuerung zur Steuerung der die Knöchel antreibenden Stelleinrichtungen eingesetzt wird.
Die in diesen Zeitschriften diskutierten Methoden setzen jedoch die Annahme eines störungsfreien, flachen Geländes voraus und sind nicht in der Lage, eine dynamische Fortbewegung über ein Gelände zu erreichen, das unregelmäßig oder stufig ist.
Während er über holpriges Gelände schreitet oder eine Stufe erklimmt, neigt ein zweibeiniger Schreitroboter dazu, am instabilsten während der Zeiten zu werden, zu denen er durch ein Bein abgestützt wird. Jeder Versuch, eine größere Stabilität allein durch Einstellung der Größe des Fußes zu erreichen, wird den unerwünschten Effekt der Verminderung der Geländeanpassungsfähigkeit des Roboters und der Verminderung seiner Schreitgeschwindigkeit haben. Obwohl die diesbezügliche Leistungsfähigkeit durch Vergrößerung der Fußunterseitenfläche verbessert werden kann, ist dies kein weiser Ausweg, wenn man es vom Standpunkt der Vergrößerung des Gewichts und der Bodenkontaktfläche betrachtet, wozu dies führt.
Das erste Ziel der Erfindung ist daher, ein System zum Steuern der Fortbewegung eines mit Beinen versehenen Schreitroboters zu schaffen, um den Roboter zu befähigen, während dynamischen Schreitens über unregelmäßiges oder stufiges Gelände eine stabile Haltung konstant beizubehalten.
In dieser Hinsicht sind, wie in einem "Structure and control of a biped walking robot" bezeichneten Artikel von Miura und Shimoyama im Magazin "Computrol" (Nr. 9, 30. Januar 1985, Seiten 90-98) dargelegt, Methoden zum stabilen Steuern der Fortbewegung eines zweibeinigen Schreitroboters vorgeschlagen worden, die auf einer Analyse der dynamischen Eigenschaften des Roboters unter Verwendung von Zustandsgleichungen basieren.
Da diese Methoden basierend auf einem alle Gelenke des Roboters erfassenden Modell auf Stabilisierung durch zentralisierte Steuerung abzielen, wird die Steuerung hochkompliziert.
Das zweite Ziel der Erfindung ist daher, ein System zum Steuern der Fortbewegung eines mit Beinen versehenen Schreitroboters zu schaffen, das die vorigen Unzulänglichkeiten des Stands der Technik überwindet.
Obwohl es wünschenswert ist, das Gewicht eines zweibeinigen Schreitroboters zu verringern, führt eine Gewichtsreduktion unvermeidbar zu einer verminderten Steifigkeit. Wo eine Rückführsteuerung zur Haltungsstabilisierung eingesetzt wird, kann der Verlust an Steifigkeit durch Erhöhung der Rückführverstärkung kompensiert werden. Dies führt jedoch, weil die Elastizität in der unmittelbaren Umgebung der Gelenke die Bewegung der Glieder beeinflußt, manchmal zu Schwingungen. Auch in den Stelleinrichtungen treten, wenn die Verstärkung erhöht wird, manchmal Schwingungen auf als Folge mechanischen Klapperns der Robotermechanismen, Spiels in den Antriebsriemen und dgl.
Das dritte Ziel der Erfindung ist daher, ein System zum Steuern der Fortbewegung eines mit Beinen versehenen Schreitroboters zu schaffen, das Schwingungen des Robotersystems auch dann wirksam unterdrückt, wenn die Rückführverstärkung auf einen vergleichsweise hohen Pegel eingestellt wird, um die Ansprechgeschwindigkeit des Steuersystems während der Stabilitätssteuerung zu erhöhen.
Von einem Gesichtspunkt aus betrachtet, schafft die Erfindung ein System zum Steuern der Fortbewegung eines mit Beinen versehenen Schreitroboters mit einem Gliedermechanismus, der aus einem Körperglied und zwei gelenkig beweglichen Beingliedanordnungen aufgebaut ist, die jeweils durch Hüftgelenke mit dem Körperglied verbunden sind und jeweils ein Oberschenkelglied und ein durch ein Kniegelenk angeschlossenes Unterschenkelglied und einen durch Knöchelgelenke angeschlossenen Fuß aufweisen, umfassend:
Servomotormittel zum Antreiben der Gelenke des Roboters;
Sensormittel zum Erfassen des Absolutwinkels und/oder der -winkelgeschwindigkeit des Körperglieds bezüglich der Gravitationsrichtung; und
ein Steuermittel zum Bestimmen von Steuerwerten der Servomotoren zumindest unter Verwendung des erfaßten Absolutwinkels und/oder der erfaßten Absolutwinkelgeschwindigkeit des Körperglieds;
dadurch gekennzeichnet, daß:
die Antriebsgelenke so ausgebildet sind, daß sie 12 Freiheitsgrade aufweisen;
Sensoren zum Erfassen von Relativwinkeln und/oder -winkelgeschwindigkeiten zwischen den Gliedern der Antriebsgelenke vorgesehen sind;
erste Mittel vorgesehen sind, um auf Basis eines vorbestimmten Schreitmusters eine Sollhaltung des Roboters als Sollwinkel und/oder -winkelgeschwindigkeiten der Glieder bezüglich der Gravitationsrichtung zumindest unter Verwendung des erfaßten Absolutwinkels und/oder der erfaßten Absolutwinkelgeschwindigkeit des Körperglieds sowie der Relativwinkel und/oder -winkelgeschwindigkeiten der Gelenke zu bestimmen;
zweite Mittel vorgesehen sind, um eine Abweichung zwischen jeden Soll- und Ist-Gliederwinkeln und/oder -winkelgeschwindigkeiten des Roboters zu bestimmen; und
das Steuermittel die Steuerwerte der Servomotoren nach Maßgabe dieser Abweichung derart bestimmt, daß die Abweichung abnimmt.
Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung klarer sein, welche lediglich beispielhaft sind und bei denen:
Figur 1 eine Gesamtschemaansicht eines erfindungsgemäßen zweibeinigen Schreitroboters ist;
Figur 2 eine detaillierte Schnittansicht des rechten Hüftgelenks des in Figur 1 schematisch dargestellten Roboters ist;
Figur 3 eine längs der Linie III-III der Figur 2 genommene Schnittansicht ist;
Figur 4 eine Seitenansicht ist und die Anordnung des in Figur 1 schematisch dargestellten Roboters vom Knie abwärts zeigt;
Figur 5 eine Ansicht ähnlich Figur 4 ist, jedoch von der Linie V-V der Figur 4 gesehen;
Figur 6 ein detailliertes Blockdiagramm der in Figur 1 gezeigten Steuereinheit ist;
Figur 7 ein Ablaufplan ist, der den Betrieb der Steuereinheit darstellt, spezieller den Betrieb des Subsystems 1 darstellt, auf welches in Figur 11 eingegangen wird;
Figur 8 eine erläuternde Ansicht ist, die zeigt, welche Gelenke im Roboter zum Schreiten in der Nickrichtung (den Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen) und der Wankrichtung (den Richtungen nach links und rechts) benützt werden;
Figur 9 eine erläuternde Ansicht zur Modellierung des wie in der Zustandsgleichung für die Rückführsteuerung ausgedrückten Bewegungszustands des Roboters ist;
Figur 10 eine erläuternde Ansicht ist, die die auf der Zustandsgleichung basierende Rückführsteuerung in einem Blockdiagramm zeigt;
Figur 11 eine erläuternde Ansicht ist, die ein charakteristisches Merkmal des erfindungsgemäßen Steuersystems zeigt, nach dem das Steuerungssystem in vier Subsysteme 1 - 4 unterteilt ist;
Figur 12 eine erläuternde Ansicht ist, die die aus der Nick- und Wankrichtung gesehene Schreitbewegung des Roboters zeigt;
Figur 13 ein Ablaufplan ist, der eine Subroutine des Ablaufplans der Figur 7 zur Erfassung des Landens eines Roboterbeins zeigt;
Figur 14 ein Ablaufplan ist, der eine Subroutine des Ablaufplans der Figur 7 zur Erfassung des Anhebens eines Roboterbeins zeigt;
Figur 15 eine Ansicht ähnlich Figur 13 ist, jedoch eine weitere Methode zeigt, das Landen eines Roboterbeins zu erfassen;
Figur 16 eine Ansicht ähnlich Figur 14 ist, jedoch eine weitere Methode zeigt, das Anheben eines Roboterbeins zu erfassen;
Figur 17 ein den Betrieb der in Figur 11 dargestellten Subsysteme 2, 3 zeigender Ablaufplan ist;
Figur 18 eine erläuternde Ansicht ist, die die im Ablaufplan der Figur 17 durchgeführte Berechnung von Winkeln oder Winkelgeschwindigkeiten der Robotergelenke zeigt;
Figur 19 ein den Betrieb des in Figur 11 dargestellten Subsystems 4 zeigender Ablaufplan ist;
Figuren 20(a)(b)(c) erläuternde Ansichten sind, die Beispiele von Plätzen zeigen, an denen der Roboter schreitet, und die darstellen, wie eine instabile Haltung zu korrigieren ist, wenn der Roboter auf holprigem Boden zum Umfallen tendiert;
Figur 21 ein Blockdiagramm ähnlich Figur 10 ist, jedoch die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt;
Figur 22 ein Schaubild ist, das die bei der ersten Ausführungsform benutzte Rückführverstärkung darstellt;
Figur 23 ein Schaubild ist, das die bei der zweiten Ausführungsform benutzte Rückführverstärkung darstellt, welche bezüglich der Frequenz variiert ist;
Figur 24 ein erläuterndes Blockdiagramm ist, das die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt;
Figur 25 ein Schaubild ist, das die Rückführverstärkung eines bei der dritten Ausführungsform verwendeten Hochpaßfilters darstellt; und
Figur 26 ein erläuterndes Blockdiagramm ähnlich Figur 24 ist, jedoch die vierte erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf einen zweibeinigen Schreitroboter als einer speziellen Ausführungsform eines mit Beinen versehenen Schreitroboters erläutert. Eine schematische Gesamtansicht des zweibeinigen Schreitroboters ist in Figur 1 gezeigt. Der Roboter, bezeichnet durch die Bezugsziffer 1, ist mit sechs Gelenken (Achsen) an jeweils seinem rechten (R) und linken (L) Bein versehen. Von oben nach unten sind diese Gelenke (Achsen) Hüftdrehgelenke (-achsen) 10R, 10L, Hüftnickrichtungsgelenke (-achsen) 12R, 12L, Hüftwankrichtungsgelenke (-achsen) 14R, 14L, Knienickrichtungsgelenke (-achsen) 16R, 16L, Knöchelnickrichtungsgelenke (-achsen) 18R, 18L und Knöchelwankrichtungsgelenke (-achsen) 20R, 20L. Unten sind Füße 22R, 22L befestigt, und ein Körper bzw. Rumpf 24 ist an oberster Position angeordnet. Bei dieser Anordnung bilden die Gelenke (Achsen) 10R (L), 12R (L) und 14R (L) zusammen ein rechtes (linkes) Hüftgelenk; die Gelenke (Achsen) 18R (L) und 20R (L) bilden zusammen einen rechten (linken) Knöchel. Die Hüftgelenke und die Knie sind durch Oberschenkelglieder 27R, 27L verbunden, die Knie und Knöchel sind durch Unterschenkelglieder 28R, 28L verbunden.
Die Figuren 2 und 3 zeigen detaillierte Schnittansichten des schematisch in Figur 1 dargestellten rechten Hüftgelenks. Wie in Figur 2 gezeigt, ist der Rumpf 24 an einer dem menschlichen Becken analogen Beckenplatte 30 angebracht. Das linke und rechte Bein sind durch die Beckenplatte 30 verbunden und bilden die Fortbewegungsmittel des Roboters. Wie in Figur 1 angedeutet, sind die Beine, einschließlich der Hüftgelenke, seitensymmetrisch. Im folgenden wird nur das rechte Bein erläutert.
Unter Bezugnahme auf Figur 2 ist ein erstes Harmonisches Untersetzungsgetriebe (Handelsname) 32 an einem nach innen gerichteten Teil der Beckenplatte 30 angeordnet. Eine an der Eingangswelle des ersten Untersetzungsgetriebes 32 befestigte Riemenscheibe 34 wird durch einen ersten Motor 36 über einen Riemen 35 angetrieben. Die Rotation der Eingangswelle des ersten Untersetzungsgetriebes 32 verursacht eine Relativbewegung zwischen einem auch Flex-Ring genannten flexiblen Ring 38, einem feststehenden Ring 40 und einem Ausgangsring 42 davon, so daß die Rotation des ersten Motors 36 untersetzt wird. Die Art und Weise, in der diese Untersetzung erfolgt, ist wohlbekannt und wird hier nicht behandelt. Da der feststehende Ring 40 mit der Beckenplatte 30 verbolzt ist und der Ausgangsring 42 an einem Ausgangselement 44 verbolzt ist, bewirkt die Rotationsausgabe des ersten Motors 36, daß sich die Beckenplatte 30 und das Ausgangselement 44 relativ zueinander um die Gelenkachse 10R drehen.
Ein erstes Jochelement 50 ist an dem unteren Teil des Ausgangselements 44 verbolzt. Der obere Teil des ersten Jochelements 50 ist so ausgebildet, daß er einen Hohlraum 51 zur Unterbringung eines seitlich orientierten zweiten Motors 52 aufweist. Die Ausgabe des zweiten Motors 52 wird über einen Riemen 54 zu einem zweiten, unterhalb des zweiten Motors gelegenen Harmonischen Untersetzungsgetriebes 56 übertragen. Das zweite Untersetzungsgetriebe 56 vermindert die Geschwindigkeit und erhöht die Leistung der in dieses eingegebenen Rotationsbewegung und treibt damit einen Ausgangsring 58 an. Der feststehende Ring 60 des zweiten Untersetzungsgetriebes 56 ist mit der unteren linken Seite des ersten. Jochelements 50 verbolzt, und der Ausgangsring 58 ist über ein Ausgangselement 62 an dem oberen Ende des Oberschenkelglieds 27R befestigt, welches unterhalb des ersten Jochelements 50 gelegen ist. Folglich werden das erste Jochelement 50 und das Oberschenkelglied 27R durch die Rotation des zweiten Motors 52 relativ zueinander gedreht, so daß das Oberschenkelglied 27R um die vorgenannte Wankrichtungsachse 14R gedreht wird. Das erste Jochelement 50 ist unten rechts als ein Lagerelement ausgebildet, das das Oberschenkelglied 27R gemeinsam mit dem Ausgangselement 62 hält.
Wie in Figur 3 gezeigt, bildet der obere Abschnitt des Oberschenkelglieds 27R ein zweites Jochelement 71, an dem seitlich in einer Reihenanordnung zwischen der linken und rechten Seite des Jochs ein drittes Harmonisches Untersetzungsgetriebe 72 sowie ein dritter Motor 74 zur direkten Eingabe eines Drehmoments in dieses angeordnet sind. Der feststehende Ring 76 des dritten Untersetzungsgetriebes 72 ist mit dem Ausgangselement 62 gekuppelt, und sein Ausgangsring 78 ist mit dem zweiten Jochelement 71 gekuppelt, wodurch der Betrieb des dritten Motors 74 das Ausgangselement 62 und das zweite Jochelement 71 sich relativ zueinander drehen läßt, so daß das Oberschenkelglied 27R um die Nickrichtungsachse 12R gedreht wird. Wie dargestellt, schneiden sich die Achsen 10R, 12R und 14R senkrecht im Punkt A (Figur 3). Winkelpositionen können daher durch Umwandlung innerhalb eines orthogonalen Koordinatensystems berechnet werden.
Die Anordnung des Knies wird nun erläutert. Wie in Figur 2 gezeigt, ist das Oberschenkelglied 27R an seinem oberen Ende mit einer Ausnehmung 79 ausgebildet, in welcher ein vierter Motor 80 untergebracht ist, dessen Ausgabe nach unten zum Knie übertragen wird. Bei Betrachtung der Figuren 4 und 5, welche die Anordnung vom Knie abwärts zeigen, wird die Ausgabe des vierten Motors 80 über einen Riemen 82 zu einem vierten, an dem Knie (der Achse) 16R angebrachten Harmonischen Untersetzungsgetriebe 84 übertragen. (Zur Gewichtsreduzierung ist das Innere des Knies 16R mit einem Hohlraum 85 ausgebildet).
Das Knie (Achse) 16R und der Knöchel sind über ein Unterschenkelglied 28 verbunden, welches an seinem oberen Ende mit einer Ausnehmung 87 ausgebildet ist, in welcher ein fünfter Motor 88 untergebracht ist. Die Ausgabe des fünften Motors 88 wird, über einen Riemen 90, in ein fünftes, an dem Knöchel vorgesehenes Harmonisches Untersetzungsgetriebe 92 eingegeben, wodurch ein Fuß 22 in der Nickrichtung um die Achse 18R angetrieben wird. Der Fuß ist ferner so angeordnet, daß er um die Achse 20R frei schwingt, welche die Achse 18R senkrecht schneidet. Zu diesem Zweck sind ein sechstes Harmonisches Untersetzungsgetriebe 94 und ein sechster Motor 96 zur direkten Leistungszufuhr zu diesem vorgesehen.
Die Motoren 36, 52, 74, 80 und 88 sind jeweils mit Dreh- (Wellen-) Encodern 37, 53, 75, 81 und 89 versehen. Der sechste Motor 96 ist ebenfalls mit einem Drehencoder versehen, der aber in den Figuren nicht gezeigt ist. Diese Encoder erfassen die jeweiligen Motordrehwinkel. Der Knöchel ist ferner mit einem sechsdimensionalen Kraft- und Drehmoment-Sensor 98 zum Messen der aufgebrachten Last und dgl. versehen, um die Bestimmung möglich zu machen, ob das betrachtete Bein das freie Bein oder das tragende Bein ist. Zur Erfassung des Kontakts mit dem Boden sind die vier Ecken der Fußunterseite mit Bodenkontaktschaltern 99 bekannter Bauart versehen (in den Figuren 4 und 5 nicht gezeigt). Wie in Figur 1 gezeigt, ist ein Paar von Neigungswinkelsensoren 100, 102 an einer geeigneten Stelle am Rumpf 24 vorgesehen, um (a) den Betrag des Winkels und der Winkelgeschwindigkeit der Neigung relativ zur z-Achse in der x-z-Ebene und (b) den Betrag des Winkels und der Winkelgeschwindigkeit der Neigung relativ zur z-Achse in der y-z- Ebene zu erfassen. Eine Bewegung in der x-z-Ebene, d.h. eine Bewegung in den Richtungen Vor und Zurück, wird als Nickbewegung definiert und eine Bewegung in der y-z-Ebene, d.h. eine Bewegung in den Richtungen Links und Rechts, als Wankbewegung. Die Ausgaben der Neigungswinkelsensoren 100, 102 werden an eine Steuereinheit 26 gesendet, die im Rumpf untergebracht ist.
Wie in dem detaillierten Blockdiagramm der Figur 6 gezeigt, weist die Steuereinheit 26 einen A/D-Wandler 104 auf, einen Zähler 106, einen D/A-Wandler 108, eine Wellenformerschaltung 110 und vier, durch einen gemeinsamen Bus 111 damit verbundene zentrale Verarbeitungseinheiten (CPUs) 114, 116, 118 und 120. Die vier CPUs sind jeweils mit Fest- bzw. ROM-Speichern (ROMs) 114a, 116a, 118a, 120a und Direktzugriffs- bzw. RAM-Speichern (RAMs) 114b, 116b, 118b, 120b über lokale Busse 112a, b, c, d verbunden.
Analogausgaben der Sensoren 100, 102 und dgl. werden zu dem A/D- Wandler 104 in der Steuereinheit 26 zur Umwandlung in Digitalwerte weitergeleitet. Andererseits werden die Ausgaben der Encoder 37, 53, ... zum Zähler 106 geschickt, um die Anzahl von Ausgabeimpulsen zu zählen, während die Digitalausgaben der Bodenkontaktschalter 99 und dgl. an die Wellenformerschaltung 110 zur Wellenformung angelegt werden. Diese erfaßten Werte werden in geeigneter Weise in die RAMs der CPUs 114, 116, 118 und 120 eingegeben. Wie im einzelnen später erläutert, verwenden die CPUs die erfaßten Werte, um Steuerwerte zu berechnen, die über den D/A-Wandler 108 zu Regelverstärkern 126 weitergeleitet werden, wo sie in Stromwerte umgewandelt werden, die den Motoren 36, 52, ... zugeführt werden. Die Bezugsziffer 128 bezeichnet einen Steuerknüppel bzw. Joy-Stick, 130 einen Nullbezug-Schalter zur Bestimmung der ursprünglichen (aufrechten) Haltung und 132 einen Grenzschalter zur Verhinderung des Überfahrens.
Figur 7 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der Steuereinheit zeigt. Vor einer auf dieser Figur basierenden Erläuterung wird die erfindungsgemäße Steuerung in allgemeinen Worten erklärt. Bei dem Roboter 1 des in Figur 1 gezeigten Aufbaus ist es möglich, wie in Figur 8 dargestellt, die Achsen in solche aufzuteilen, bei denen hauptsächlich eine Nickbewegung (Bewegung in der Nickrichtung) gesteuert wird, und solche, bei denen hauptsächlich eine Wankbewegung (Bewegung in der Wankrichtung) gesteuert wird. Bei der erfindungsgemäßen Steuerung ist daher die Gelenkbewegung in Nickbewegung und Wankbewegung aufgeteilt; stabilisiertes Schreiten wird durch eine diese zwei Bewegungstypen koordinierende Steuerung realisiert. Darüber hinaus wird, wie später nochmals angeschnitten wird, die Erfassung von Winkeln und Winkelgeschwindigkeiten unter Verwendung absoluter Winkel und absoluter Winkelgeschwindigkeiten relativ zur Schwerkraft durchgeführt.
Wie ebenfalls in Figur 8 gezeigt, ist das Ausmaß der Bewegung des Knies 16R des tragenden Beins, ähnlich zu dem, was beim Schreiten eines Menschen beobachtet wird, während des Schreitens über flaches Gelände geringfügig. Andererseits ist das Ausmaß der Bewegung des Knies 16L des freien Beins groß; da aber die Masse unterhalb des Knies klein ist, ist die Auswirkung auf die Gesamtbewegung gering. Die Auswirkung der Winkelbewegung ist ebenfalls gering. Aus diesen Tatsachen kann man schließen, daß bei der Steuerung der Nickbewegung während des Schreitens über glatten Boden nur eine Steuerung von drei Achsen, der Knöchelachse 18R des tragenden Beins und der Hüftachsen 12R und 12L, in Betracht gezogen werden muß. Zu diesem Zeitpunkt reicht es aus, nur die Gelenkwinkel der Knie 16R und 16L sowie des Knöchels 18L des freien Beins lediglich bis zu dem zur Koordination mit der Bewegung der erstgenannten drei Gelenke (Achsen) erforderlichen Grad zu steuern. Ähnlich liegt der Fall, was die Steuerung der Wankbewegung betrifft. Lediglich die Steuerung des Knöchels 20R des tragenden Beins und der Hüftachsen 14R und 14L muß in Betracht gezogen werden, während die Steuerung des Knöchels 20L des freien Beins auf diejenige zur Koordination mit diesen drei Gelenken (Achsen) beschränkt werden kann.
Aus den vorhergehenden Beobachtungen können die Nick- und Wankbewegungen eines zweibeinigen Schreitvorgangs wie in Figur 9 gezeigt modelliert werden. Wenn man die aufrechte Haltung als "normal" definiert, um die Steuerung zu vereinfachen, gelten die folgenden Beziehungen, wenn diese Haltung unter Verwendung von Liniennäherungen des linearen Typs modelliert wird:
Bewegung in der Nickrichtung:
s = Asθs + BsTs (1)
wobei Gliedwinkel Drehmoment
As, Bs: Konstanten (3 x 3 Matrix)
Bewegung in der Wankrichtung:
f = Afθf + BfTf + Df (2)
wobei Gliedwinkel Drehmoment
Af, Bf: Konstanten (3 x 3 Matrix)
Df: Konstante (3 x 1 Matrix)
Allgemein können Bewegungen in den Nick- und Wankrichtungen wie folgt ausgedrückt werden:
= Aθ + BT + D (3)
wobei im Fall von Nicken; D = 0
im Fall von Wanken; D: Konstante (3 x 1 Matrix)
Da Gleichung (3), wie oben geschrieben, keinen zur Winkelgeschwindigkeit proportionalen Dämpfungsterm umfaßt, sind die durch diese Gleichung ausdrückbaren Bewegungsmodelle instabil, was es unmöglich macht, die Soll-Gliedwinkel-Haltung (hier wird der auf die Absolutkoordinaten bezogene Winkel verwendet) beizubehalten. Daher wird die folgende Rückführsteuerung durchgeführt:
T = Hrθr + Hd - Fpθ - Fv (4)
wobei
Hr: Konstante (3 x 3 Matrix),
Hd: Konstante (3 x 1 Matrix),
Fp, Fv: Verstärkung (3 x 3 Matrix),
θr: Absolutwinkelbefehlswert
Nach Einsetzung in Gleichung (3) ergibt dies
= Aθ + B(Hrθr + Hd - Fpθ - Fv ) + D
+ BFv + (BFp - A)θ - BHrθr - BHd - D = 0
Wenn man -B&supmin;¹D für Hd einsetzt und = B&supmin;¹ (BFp - A) für Hr, erhält man
+ BFv + (A - BFp) (θr - θ) = 0 (5)
Wenn die Verstärkungen Fv, Fp in geeigneter Weise festgesetzt werden, konvergiert die durch Gleichung (5) dargestellte Bewegung allmählich bei θr. Das Vorangehende ist in dem Blockdiagramm der Figur 10 veranschaulicht.
Dieses Diagramm zeigt einen Stabilisierungsalgorithmus für eine spezielle Schreithaltung (absoluter Befehls- bzw. Führungswert θr konstant) während der Zeitdauer der einbeinigen Abstützung. Während des Schreitens ändert sich der absolute Winkelführungswert er lediglich mit der Zeit und folgt grundsätzlich stabil. Während die Steuerung im einzelnen mit Bezug auf den Ablaufplan der Figur 7 erläutert wird, kann man sie als Ganzes leichter aus Figur 11 begreifen. Im speziellen wird die erfindungsgemäße Steuerung im Zusammenwirken von vier Subsystemen durchgeführt. Die vier Subsysteme werden von den vier in Figur 6 gezeigten CPUs gebildet.
Genauer gesagt, empfängt das Subsystem 1 in Figur 11 (CPU 114) ein Schreitmuster (eine zeitliche Folge von Haltungen) und verändert basierend auf der Information von Außerhalb, wie Neigungswinkeln, Bodenberührung oder dgl., die Soll-Haltung wie erforderlich und gibt das Ergebnis an die Subsysteme 2 - 4 (CPUs 116, 118 und 120) aus. Die Subsysteme 2 und 3 führen zur Erreichung der Soll-Haltung eine Stabilitätssteuerung durch, während das Subsystem 4 eine lokale Steuerung bezüglich desjenigen Gelenks durchführt, das der Stabilitätssteuerung nicht unterworfen ist.
Der Begriff "lokale Steuerung" wird hier im Gegensatz zu der vorher durch Gleichung (4) bezeichneten "Zustandsrückführsteuerung" verwendet. Im speziellen wäre eine konkrete Darstellung der Gleichung (4) bezüglich der Nickrichtung:
τi = hril θ1r + hri2 θ2r + hri3 θ3r + hdi - fpi1 θ1 - fpi2 θ2 - fpi3 θ3 - fvi1 1 - fvi2 2 - fvi3 3 ... (4)'
wobei i = 1, 2, 3 und unter der Bedingung, daß
hrij: Element der Matrix Hr
hdij: Element der Matrix Hd
fpij: Element der Matrix Fp
Fvij: Element der Matrix Fv
Falls im Gegensatz hierzu, beispielsweise hinsichtlich des Knies des freien Beins, der erfaßte Gelenkwinkel als θk und der Führungswert als θkr angenommen wird, kann das Gelenkdrehmoment τk wie folgt berechnet werden:
τk = kp(θkr - θk) + kv k (4)"
Mit anderen Worten wird, wie durch Gleichung (4)' dargestellt, die von den Subsystemen 2 und 3 durchgeführte Stabilitätssteuerung durchgeführt, indem das Drehmoment für jedes Hüftgelenk oder Knöchelgelenk nicht allein auf Basis einer Winkel(geschwindigkeits)-Information für dieses Gelenk berechnet wird, sondern auf Basis einer umfassenden Information, die auch die Winkel(geschwindigkeits)-Information für die anderen Gelenke miteinschließt. Dagegen wird bei der durch Gleichung (4)" dargestellten Kniedrehmomentberechnung nur die Winkel(geschwindigkeits)-Information für das betreffende Knie verwendet. D.h., das Drehmoment wird lediglich unter Verwendung lokaler Information gesteuert. Es ist in diesem Sinn, daß die vom Subsystem 4 durchgeführte Steuerung in dieser Beschreibung "lokal" genannt wird.
Wie aus dem Vorangehenden deutlich wird, nimmt die vorliegende Erfindung den Standpunkt ein, daß die Steuerung äußerst komplex werden würde, wenn alle Berechnungen auf Gleichung (4), basieren würden; um die Steuerung zu vereinfachen, führt sie eine umfassende Steuerung des Gelenkdrehmoments nur an solchen Gelenken durch, die eine größere Auswirkung auf die Haltungsstabilität haben, während sie eine lokale Steuerung des Gelenkdrehmoments bei demjenigen Gelenk durchführt, welches eine vergleichsweise geringe Auswirkung auf die Haltungsstabilität hat. Es sollte jedoch beachtet werden, daß auch bei lokaler Gelenksteuerung der Führungswert mit den Führungswerten für die anderen Gelenke koordiniert wird. Während bei der umfassenden Steuerung Absolutwinkel (-winkelgeschwindigkeiten) verwendet werden, wird bei der lokalen Steuerung ein(e) Relativwinkel (-winkelgeschwindigkeit) verwendet.
Das erfindungsgemäße Steuersystem wird nun erläutert.
Figur 7 ist ein Ablaufplan der vom Subsystem 1 zur Erzeugung einer Soll-Haltungs-Ausgabe durchgeführten Operationen. Die Prozedur beginnt mit Schritt 10, bei dem ein geeigneter Anfangswert gesetzt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Drehmomentwert für die Knöchelgelenke 18R (L), 20R (L) innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs gehalten. Der Grund hierfür ist, daß obwohl die zur Realisierung stabilen Schreitens erforderliche wirksame Reaktionskraft des Beins relativ zum Boden hauptsächlich durch das Knöcheldrehmoment seitens des tragenden Beins hervorgebracht wird, dieses Drehmoment, falls es zu groß ist, die nachteilige Wirkung haben wird, daß es den Roboter nach oben springen läßt. Falls dies geschieht, wird der Roboter die richtige Haltung nicht beibehalten können. Daher ist ein oberer Grenzwert für das Knöcheldrehmoment festgesetzt.
Die Prozedur schreitet dann zu Schritt S12 voran, wo die Soll- Haltung "Abstützung durch das rechte Bein" ausgegeben wird. Speziell werden die eine zeitliche Folge bildenden Soll-Haltungen der Phasen 1 - 3 in Figur 12 an das jeweilige Subsystem ausgegeben. Die Subsysteme 2 - 4 führen eine Stabilitäts- und Gelenkwinkelsteuerung durch, um die Soll-Haltung zu erreichen. (Während der Ablaufplan mit der Steuerung für den Fall des Starts mit einer Abstützung durch das rechte Bein beginnt, lassen sich die Prozeduren auch anwenden, wenn man mit einer Abstützung durch das linke Bein beginnt, außer daß "links" und "rechts" im Ablaufplan vertauscht werden.) Darüber hinaus wird, wie mit Bezug auf Schritt S10 erläutert wurde, während der Zeitdauer der Einzelbein-Abstützung Springen verhindert, indem man einen oberen Grenzwert für das Knöcheldrehmoment setzt.
Die Prozedur geht dann weiter zu Schritt 14, bei dem eine Soll- Haltung "Lehnen nach links vorne" ausgegeben wird. Dies entspricht Phase 4 in Figur 12. Mit anderen Worten wird zur Erreichung dynamischen Schreitens in Vorbereitung der Landung des linken Fußes eine Soll-Haltung zur Bewegung des Schwerpunkts nach links vorne festgesetzt. Zur Vorbereitung auf die Landung des freien Fußes zu diesem Zeitpunkt wird das Knöcheldrehmoment unterhalb eines oberen Grenzwertes gehalten, um einen übermäßig großen Aufprall zu absorbieren, und eine Soll-Haltung "Lehnen" mit geringem Aufprall wird ausgegeben.
Der Landezustand des linken Fußes wird dann in Schritt S16 erfaßt.
Figur 13 zeigt eine Subroutine für diese Erfassung. Zuerst werden die Ausgaben der Bodenkontaktschalter (seitens des linken Fußes) in Schritt S100 gelesen; falls sich in Schritt S102 herausstellt, daß irgendeiner der Schalter Ein ist, d.h. falls ein Kontakt erfaßt wird, rückt die Prozedur vor zu Schritt S104, bei dem die linksfüßige Last Fz-L auf der betreffenden Seite aus der Ausgabe des vorgenannten sechsdimensionalen Kraft- und Drehmoment-Sensors ermittelt wird. Die Prozedur geht dann weiter zu Schritt S106, bei dem der erfaßte Wert mit einem geeignet festgesetzten Bezugswert Fz-REF1 verglichen wird; falls er diesen Wert übersteigt, rückt die Prozedur vor zu Schritt S108, bei dem befunden wird, daß die Landung stattgefunden hat. Wenn das Resultat in einem der Schritte S102 oder S106 negativ ist, geht die Prozedur zu Schritt S110, bei dem entschieden wird, daß der Fuß noch nicht gelandet ist. Das Auftreten (das Ereignis des Aufsetzens oder Landens eines Fußes) wird nicht allein durch auf den Ausgaben der Bodenkontaktschalter basierende Erfassung eines Kontakts beurteilt, sondern wird nur dann als stattgefunden entschieden, wenn eine Last aufgenommen worden ist, die größer als eine vorgeschriebene Größe ist. Als Folge ist es möglich, dasjenige Bein, welches das Gewicht des Roboters trägt, zuverlässig zu unterscheiden.
Wenn man zu Figur 7 zurückkehrt, rückt die Prozedur zu Schritt S18 vor, bei dem auf Basis der in der Subroutine erreichten Schlußfolgerung ein Urteil dahingehend getroffen wird, ob der linke Fuß gelandet ist oder nicht; wenn sich herausstellt, daß er gelandet ist, geht die Prozedur zu Schritt S19, bei dem eine Soll-Haltung für Zweibein-Abstützung ausgegeben wird. Speziell wird bis zu demjenigen Zeitpunkt, an dem auf Basis der Last in Schritt S18 das Auftreten als stattgefunden entschieden wird, die Ausgabe des Gelenkführungswerts für die freie Beingliedanordnung fortgesetzt, um eine konstante Neigung bezüglich des Bodens beizubehalten, und die Ausgabe der Haltung für Einbein-Abstützung bis zu dem Zeitpunkt fortgesetzt, an dem die tatsächliche Landung des freien Fußes aus der Last heraus erfaßt worden ist, ungeachtet dessen, daß die Haltung "Landung des freien Fußes" bereits hätte angenommen werden können. Auf diese Weise bleibt die Neigung der freien Beingliedanordnung bezüglich des Bodens entsprechend dem Führungswert konstant und das Auftreten findet immer bei derselben Haltung statt, wodurch die Anfangshaltung in der Zeit der Zweibein-Abstützung bei jedem Schreitzyklus im wesentlichen die gleiche ist. Folglich ist auch der Aufprall beim Auftreten konstant; der Übergang zum Zweibein-Abstützungszustand kann stabil erreicht werden.
Die Prozedur rückt dann zu Schritt S20 vor, bei dem der Zustand des Abhebens (das Ereignis des Anhebens eines Fußes) des rechten Fußes erfaßt wird.
Figur 14 zeigt eine Subroutine für diese Erfassung. Zuerst wird in Schritt S200 die Ausgabe der Bodenkontaktschalter (seitens des rechten Fußes) erhalten; wenn sich in Schritt S202 herausstellt, daß irgendeiner der Schalter Ein ist, d.h. wenn sich der Fuß noch in Kontakt mit dem Boden befindet, rückt die Prozedur zu Schritt S204 vor, bei dem die rechtsfüßige Last Fz-R an der betreffenden Seite eingelesen wird. Die Prozedur schreitet dann voran zu schritt S206, bei dem der erfaßte Wert mit einem zweiten Bezugswert Fz-REF2 verglichen wird; wenn er kleiner als dieser Wert ist, rückt die Prozedur vor zu Schritt S208, bei dem die Annahme getroffen wird, daß das Abheben stattgefunden hat. Wenn sich andererseits herausstellt, daß er größer als der Bezugswert ist, geht die Prozedur zu Schritt S210, bei dem die Annahme getroffen wird, daß kein Abheben stattgefunden hat. Wenn sich in Schritt S202 herausstellt, daß die Schalter Aus sind, springt die Prozedur direkt zu Schritt S208, wo geurteilt wird, daß das Abheben stattgefunden hat. Auf diese Weise hängt auch die Beurteilung des Abhebens nicht allein davon ab, ob sich der Fuß in Kontakt mit dem Boden befindet oder nicht, und obwohl sogar ein gewisser Kontakt andauern kann, wird auf Abheben als stattgefunden geurteilt, wenn die Last unter den vorgeschriebenen Wert gefallen ist. Es ist somit möglich, mit größerer Präzision den Zustand zu erfassen, in dem der Roboter sein Gewicht trägt.
Alternativ ist es möglich, aus dem Lastverhältnis zwischen den zwei Beinen ein Urteil über Auftreten und Abheben zu fällen. Im Fall des Urteilens über Auftreten vermittels dieser Methode wird der in Figur 15 gezeigten Prozedur gefolgt. Im speziellen werden die Schritte S104 und S106 des Ablaufplans der Figur 13 durch Schritte S104A und S106A ersetzt. Nachdem beide Beinlasten Fz-R und Fz-L in Schritt S104A gelesen worden sind, geht die Prozedur zu Schritt S106A, wo die Last desjenigen Fußes, bezüglich dessen eine Beurteilung gemacht wird, durch die Summe der Lasten beider Füße dividiert und der so erhaltene Quotient mit einem geeignet festgesetzten Bezugswert Gamma ON verglichen wird. Wenn der Quotient größer als der Bezugswert ist, wird geurteilt, daß das Auftreten stattgefunden hat. Auf der anderen Seite wird zur Beurteilung des Abhebens der Prozedur der Figur 16 gefolgt. Im speziellen sind die Schritte S204 und S206 der Figur 14 durch Schritte S204A und S206A ersetzt und ein in der soeben beschriebenen Weise erhaltener Quotient wird mit einem weiteren Bezugswert Gamma OFF verglichen. Wenn der Quotient kleiner als der Bezugswert ist, wird geurteilt, daß das Abheben stattgefunden hat. Wenn die vorangehende Anordnung verwendet wird, kann das Gewicht des Roboters normalisiert werden; auf diese Weise wird ermöglicht, die Urteile ungeachtet der Größe irgendeiner Nutzlast, welche der Roboter gegebenenfalls trägt, abzugeben und die Möglichkeit geschaffen, die Immunität gegenüber Sensorrauschen und dgl. zu erhöhen. (Die Bezugswerte Gamma ON und Gamma OFF werden geeignet zwischen 0 und 1 festgesetzt.)
Wenn sich bei Rückkehr zu Figur 7 in Schritt S22 herausstellt, daß der rechte Fuß angehoben worden ist, rückt die Prozedur zu Schritt S24 vor, wo die Soll-Haltung "Abstützung durch das linke Bein" ausgegeben wird. Speziell wird, sobald der rechte Fuß den Boden verlassen hat und ein Zustand der Abstützung durch das linke Bein etabliert ist, die Soll-Haltung für Abstützung durch das linke Bein zur Haltungsstabilisierung ausgegeben. Falls die Abfolge hier umgekehrt werden sollte, könnte es in einigen Fällen nicht möglich sein, ein wirksames Drehmoment im tragenden Bein zu erzeugen. Das linke Bein wird nämlich nur nach dem rechtsseitigen Abheben das tragende Bein, und wenn deshalb die Soll-Haltung "Abstützung durch das linke Bein" vor dem rechtsseitigen Abheben ausgegeben wird, kann das im linken Knöchel erzeugte Drehmoment dazu führen, daß der linke Fuß, der zu diesem Zeitpunkt kein Gewicht trägt, den Boden tritt und den Roboter umfallen läßt. Die Abfolge ist in der vorangehenden Weise aufgestellt, um diese Möglichkeit auszuschließen.
In den folgenden Schritten S26 - S34 werden die gleichen Prozeduren hinsichtlich des anderen Beins durchgeführt. Wenn dann in Schritt S36 geurteilt worden ist, daß der Schreitzyklus beendet ist, geht die Prozedur voran zu Schritt S38, wo die Soll-Haltung für Zweibein-Abstützung ausgegeben wird. Dies beendet die Routine.
Die von den Subsystemen 2 und 3 durchgeführte Steuerung wird nun mit Bezug auf den Ablaufplan der Figur 17 erläutert. Diese Steuerung ist zur Durchführung der Stabilitätssteuerung, um die auf den soeben mit Bezug auf Figur 7 erläuterten Prozeduren basierende Soll-Haltungs-Ausgabe zu realisieren.
Zuerst wird in Schritt S300 die Eingabe der Soll-Haltung eingelesen. Diese Haltung ist in Form von Gliederwinkeln ausgedrückt.
Als nächstes werden in Schritt S302 die Ausgaben der Neigungswinkelsensoren 100 und 102 eingelesen. Die von diesen Sensoren erzeugten Erfassungswerte sind ein Maß für Winkelgeschwindigkeiten. Die Encoderausgaben werden im folgenden Schritt S304 eingelesen. Diese Ausgaben sind ein Maß für die Relativwinkel der jeweiligen Gelenke. Die Prozedur geht dann voran zu Schritt S306, wo die Erfassungswerte der Neigungswinkelsensoren zur Umwandlung in Winkel (Absolutwinkel) integriert werden. Was dies konkret bedeutet, ist in Figur 18 illustriert. Der Ausgabewert eines Sensors bezüglich der z-Achse (der Absolutwinkel) wird mit dem Ausgabewert eines Encoders (Relativwinkel) kombiniert, um den Winkel (die Winkelgeschwindigkeit) des betreffenden Gelenks zu berechnen. Wo z.B. der Absolutwinkel des freien Beins θ3 ist und die entsprechende Winkelgeschwindigkeit 3 ist, folgt, daß
θ3 = π - (φ + q)
wobei φ die den Absolutwinkel des Oberkörperglieds darstellende Ausgabe des Neigungssensors und q der Relativwinkel zwischen den Gliedern ist. Mit anderen Worten wird zuerst der Neigungswinkel (die Geschwindigkeit) bezüglich der absoluten Koordinaten des Körper- (Oberkörper-) Glieds erfaßt und dann der Neigungswinkel (die Geschwindigkeit) des Beinglieds bezüglich der absoluten Koordinaten aus dem Relativwinkel (der -geschwindigkeit) des Beinglieds bezüglich des Oberkörperglieds erhalten. (Um aus den Encoderausgaben die Relativwinkelgeschwindigkeiten zu erhalten, wird die Einstufendifferenz ("one-stage difference") pro vorgeschriebenem Zeitintervall verwendet.)
Die Prozedur geht dann weiter zu Schritt S308, wo unterschieden wird, ob die jeweiligen Soll- und Ist-Gliederwinkel übereinstimmen; wenn sich herausstellt, daß die Ist-Haltung von der Soll- Haltung abweicht, geht die Prozedur zu Schritt S310, wo die Gelenkdrehmomente entsprechend der Stabilitätssteuerung, auf die früher eingegangen wurde, berechnet werden. Wenn man als Beispiel denjenigen Fall nimmt, bei dem die Soll-Haltung die in Schritt S12 des Ablaufplans der Figur 7 ausgegebene Soll-Haltung "Abstützung durch das rechte Bein" ist, werden unter Verwendung der Gleichung (4) Drehmomentwertberechnungen durchgeführt, um die Beziehung gemäß Gleichung (5) zu realisieren. Speziell berechnet das Subsystem 2 die Gelenkdrehmomente für die Nickrichtung, nämlich für das rechte Knöchelgelenk 18R und die Hüftgelenke 12R und 12L, und das Subsystem 3 die Gelenkdrehmomente für die Wankrichtung, nämlich für das rechte Knöchelgelenk 20R und die Hüftgelenke 14R und 14L. Um zu diesem Zeitpunkt die Annäherung der Ist- Winkel an die Soll-Winkel wirksam zu steigern, wird bezüglich der Winkel eine geeignete Rückführverstärkung Fp festgesetzt und bezüglich der Winkelgeschwindigkeiten eine geeignete Rückführverstärkung Fv festgesetzt. Ferner werden bei der Bestimmung der Steuerwerte diese Werte mit höherer Priorität in der Reihenfolge eines steigenden Beitrags zur Stabilität während des Schreitens über das Gelände, das überquert wird, bestimmt. Für Schreiten auf flachem Boden werden die Werte in der Reihenfolge bestimmt: Knöchel des tragenden Beins, Hüftgelenk des tragenden Beins und Hüftgelenk des freien Beins. (Für Stufenklettern würde dies Knöchel des tragenden Beins, Knie des tragenden Beins, Hüftgelenk des tragenden Beins und Hüftgelenk des freien Beins werden.) Die Aufstellung einer solchen Priorität macht es möglich, zumindest das Drehmoment des Knöchels des tragenden Beins selbst dann zu bestimmen, wenn beispielsweise der Betrag an Zeit zur Durchführung der Steuerung ungenügend ist. Da außerdem das freie Bein sich während des Schreitens schneller bewegen muß als das tragende Bein, wird die Ansprechrate der Rückführverstärkung so eingestellt, daß sie in der Reihenfolge ansteigt: Glieder des tragenden Beins, Oberkörperglied und Glieder des freien Beins.
Im folgenden Schritt S312 werden die bestimmten Gelenkdrehmomentwerte in Motorstromwerte umgewandelt, welche in Schritt S314 an die Servo- bzw. Regelverstärker 126 ausgegeben werden, um den Motor 74 etc. anzutreiben. Dieselben Prozeduren werden danach wiederholt, bis in Schritt S308 befunden wird, daß die Soll- und Ist-Werte übereinstimmen.
Die vom Subsystem 4 durchgeführte lokale Steuerung wird nun mit Bezug auf den Ablaufplan der Figur 19 erläutert.
Die Prozedur beginnt bei Schritt S400, wo der im Ablaufplan der Figur 7 ausgegebene Soll-Gelenkwinkel eingelesen wird, und rückt dann zu Schritt S402 vor, wo der Ist-Gelenkwinkel (Relativwinkel) und die Ist-Gelenkwinkelgeschwindigkeit erfaßt werden. Wie vorher erwähnt, werden bei der lokalen Steuerung Relativwinkel (Relativwinkelgeschwindigkeiten) verwendet, da selbst dann, wenn die Absolutwinkel (-winkelgeschwindigkeiten) des Knies etc. des freien Beins erfaßt werden sollten, diese sich mit einer Bewegung des Hüftgelenks (der Hüftgelenke) danach verändern würden.
Im folgenden Schritt S404 wird unterschieden, ob der Ist-Gelenkwinkel mit dem Soll-Gelenkwinkel übereinstimmt oder nicht; falls sie dies nicht tun, geht die Prozedur weiter zu Schritt S406, wo Gleichung (4)" verwendet wird, um das Gelenkdrehmoment zu berechnen. In den folgenden Schritten S408 - S410 wird dann der berechnete Wert in einen elektrischen Stromwert umgewandelt, welcher dem Motor 85 etc. zugeführt wird. Anschließend werden dieselben Prozeduren wiederholt, bis in Schritt S404 befunden wird, daß die Soll- und Ist-Werte übereinstimmen.
Bei dieser Ausführungsform werden die Gliederwinkel bezüglich der absoluten Koordinaten festgestellt und wird die Stabilitätssteuerung dann auf Basis der erhaltenen Werte durchgeführt. Die Bedeutung hiervon wird aus Figur 20 verständlich, die zeigt, wie nicht nur im Fall des Schreitens über ebenerdigen Boden (Figur 20 (a)), sondern auch im Fall des Schreitens über holprigen Boden (Figur 20 (b)) eine stabile Schreitsteuerung konstant realisiert werden kann. Wenn nämlich die Haltung im Verlauf des Schreitens über ein unebenes Gelände instabil werden sollte, können die Haltungswinkel unmittelbar auf Basis der erfaßten absoluten Gliederwinkel (-winkelgeschwindigkeiten) korrigiert werden, wie in Figur 20(c) gezeigt. Das System ist somit so ausgebildet, daß es eine Rückführsteuerung durchführt, um die Abweichung zwischen dem Soll- Wert und dem erfaßten Winkel oder der erfaßten Winkelgeschwindigkeit der Neigung des Gliedermechanismus im absoluten Koordinatensystem zu eliminieren; zu allen Zeiten, auch während der Fortbewegung über holpriges Gelände, kann stabiles dynamisches Schreiten sichergestellt werden. Außerdem ist bei der Stabilitätssteuerung die Anzahl der Gelenke, bezüglich derer die Steuerung durchgeführt wird, auf die minimal erforderlich reduziert und wird die Steuerung getrennt, jedoch koordiniert, hinsichtlich Nicken und Wanken durchgeführt, während die übrigen Gelenke lokaler Steuerung unterworfen werden. Als Folge ist die Steuerung beträchtlich vereinfacht.
Zusätzlich wird die Rückführsteuerung hinsichtlich der Geschwindigkeitskomponenten so durchgeführt, daß die gewünschten Haltungswinkel realisiert werden und die Rückführverstärkung so eingestellt, daß die von den einzelnen Gliedern erforderte Ansprechgeschwindigkeit erreicht wird. Dies erhöht die Fähigkeit des Roboters weiter, mit hoher Geschwindigkeit stabil zu schreiten.
Im Blockdiagramm der Figur 21 ist eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind der vorgenannten Verstärkung Frequenzcharakteristiken gegeben. Abweichend vom Fall der ersten Ausführungsform, bei der die Verstärkung unabhängig von der Frequenz konstant bleibt (wie in Figur 22 gezeigt), nimmt bei der zweiten Ausführungsform die Verstärkung mit steigender Frequenz f des Rückführsignals ab (wie in Figur 23 gezeigt).
Dies ist angesichts der Tatsache vorteilhaft, daß die Gliederansprechgeschwindigkeit für höhere Schreitgeschwindigkeiten erhöht werden muß. Speziell ist die Rückführverstärkung zu erhöhen. Es ist ebenfalls nötig, die Stabilität gegenüber Störungen von außen zu verbessern und dazu das Systemansprechen durch Erhöhung der Verstärkung zu beschleunigen. Eine Erhöhung der Ver-stärkung zur Steigerung des Ansprechens der Glieder führt jedoch zum Auftreten von hochfrequenten Vibrationen in den Gliedern; wenn die Verstärkung weiter erhöht wird, werden diese hochfrequenten Vibrationen in den Rückführschleifen verstärkt, was leicht in Zittern oder Vibrieren des Systems resultiert. Dies geschieht deshalb, weil das durch Gleichung (1) ausgedrückte mathematische Modell lediglich im Niederfrequenzbereich eines starren Modells gültig ist und bei hohen Frequenzen, wo die Effekte der Flexibilität, des Spiels, der Verbiegung und dgl. des Glieds auffallend werden, auftretende Phänomene nicht genau erklären kann.
Es ist jedoch äußerst schwierig, ein mathematisches Modell zu ersinnen, das alle Zustände bis zum Hochfrequenzbereich genau wiederspiegelt. Auch wenn ein solches Modell geschaffen werden könnte, würde es sehr komplex sein und jedes darauf basierende Steuerungssystem würde den Gebrauch eines Computers von derart hoher Leistungsfähigkeit und hohen Kosten erfordern, daß das System bei praktischen Anwendungen unbrauchbar gemacht wäre.
Da die Ursache des Vibrierens diejenige ist, daß die hochfrequenten Signale nicht gedämpft werden, sondern im Gegenteil verstärkt werden, ist die Lösung, diese zu dämpfen. Somit sind bei der vorliegenden Ausführungsform den Rückführverstärkungen Fp und Fv Frequenzcharakteristiken gegeben. Wie in Figur 23 gezeigt, ist die Verstärkung im Niederfrequenzbereich dem Führungssignalpegel entsprechend relativ groß gemacht, im Hochfrequenzbereich aber, in dem sich der Effekt der Elastizität des Glieds manifestiert, klein gemacht. Im aktuellen System ist dies durch Einfügen eines Hochfrequenz-Abtrennfilters in die Rückführschleife erreicht. Die Zustandsgleichung dieses Filters ist
= Af z + Bf v
u = Cf z
wobei z die Zustandsvariable des Filters (3-Eingang, 3-Ausgang) ist. Die Abtrennfrequenz kann durch geeignete Auswahl der Werte von Af, Bf und Cf in der Entwurfsphase wie gewünscht bestimmt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird zum Zeitpunkt der Berechnung des Drehmomentwerts in Schritt S310 der Figur 17 die Abtrennfrequenz im Verhältnis zu beispielsweise der Geschwindigkeit des freien Beins derart variiert, daß sie zu allen Zeiten höher als die Ansprechfrequenz des freien Beins gehalten ist. Alternativ wird die Abtrennfrequenz im Verhältnis zu einer Schreitperiode oder einer Schreitart variiert. Da ferner jede am Oberkörper des Roboters angebrachte Nutzlast die natürliche Frequenz des Robotermechanismus ändern wird und dies wiederum die Vibrationsfrequenz ändern wird, genügt es, die Abtrennfrequenz im Verhältnis zur Nutzlast zu ändern. Dies wird die Möglichkeit schaffen, die Schreitgeschwindigkeit ohne Vibrationserzeugung bis zum maximal möglichen zu erhöhen. Diese Einstellung kann entweder vermittels Software oder durch Verwendung eines elektrischen Filters erzielt werden.
Da diese Ausführungsform die Rückführverstärkung im Hochfrequenzbereich verringert, ermöglicht sie es, den Schreitzyklus und die Antriebsgeschwindigkeit innerhalb des Bereichs, in welchem von der Elastizität der Gelenkverbindungsglieder hervorgerufene Schwingungen nicht auftreten, bis zum Maximum zu erhöhen. Sie macht es somit möglich, schnelles Schreiten mit höherer Stabilität zu realisieren.
Im Blockdiagramm der Figur 24 ist eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt.
Ein Verfahren, mit geringer Gliedersteifigkeit zuzuschreibendem Vibrieren fertig zu werden, wurde oben im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform diskutiert. Es ist jedoch ein Faktum, daß Vibrieren auch als Folge nichtlinearer Faktoren, wie Spiel und Biegung in den Untersetzungsgetrieben, Riemen und dgl., auftritt. Es wird angenommen, daß dies aus der Tatsache resultiert, daß das mechanische Spiel etc. eine Rückführung winziger Beträge der Motorrotation verhindert, indem es das Sichtbarwerden ihrer Auswirkung in den Gliedern verhindert.
Ein denkbarer Weg, mit diesem Problem fertig zu werden, wäre, Schwingungen zu unterdrücken, indem den Motorwellen ein viskoser Widerstand verliehen wird. Dies könnte dadurch erreicht werden, daß man eine sogenannte Servosystem-Geschwindigkeitsrückführung anwendet, bei der ein Produkt durch Multiplizieren der Drehgeschwindigkeit q des Motors jedes Gelenks mit einer Konstanten k (wobei k ein Viskositätskoeffizient ist) erhalten und das resultierende Produkt zum Drehmoment-Führungswert rückgeführt wird. Der mittels dieses Verfahrens in den Motoren erzeugte viskose Widerstand würde jedoch das Ansprechen der Glieder dämpfen und ein Hindernis für Hochgeschwindigkeitsschreiten werden.
Die vorliegende Erfindung wird daher mit dem Problem mittels eines Verfahrens fertig, welches auf der Tatsache beruht, daß die Schwingungen in einem Frequenzbereich auftreten, der höher als der Schreitzyklus ist. Wie speziell in Figur 24 gezeigt (welche dem durch eine einzelne Strichpunktlinie in Figur 21 eingeschlossenen Abschnitt R entspricht), wird die Motordrehgeschwindigkeit n über ein Hochpaß-Filter rückgeführt und der Wert, der den Filterbereich passiert, mit einem Koeffizienten k multipliziert. Die Filterverstärkungscharakteristiken sind in Figur 25 gezeigt.
Mit dieser Anordnung wird solange, wie die Rate der Motorgeschwindigkeitsänderung, ähnlich derjenigen des Schreitzyklus, von niedriger Größenordnung ist, kein viskoser Widerstand erzeugt. Wenn jedoch die Rate der Geschwindigkeitsänderung groß ist, wie im Fall von Vibrationen, wird der viskose Widerstand groß, so daß die Gliederansprechgeschwindigkeit abnimmt und die Vibrationen wirksam unterdrückt werden können.
Eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform ist im Blockdiagramm der Figur 26 dargestellt.
Ein zur Wiedergabe des den Motoren in der vorangehenden Weise verliehenen viskosen Widerstands modifiziertes Modell kann erhalten werden, indem Gleichung (3) umgeschrieben wird als
= K + Aθ + Bθ + D... (3)'
Wo die Zustandsrückführung der Gleichung (4) bezüglich dieser Gleichung durchgeführt wird, wird Gleichung (5)
+ (BFv - K) + (A - BFp)(θr - θ) = 0... (5)'
Figur 26 erläutert dies graphisch. Indem Fv und Fp neu gesetzt werden, um ähnliches Ansprechen zu zeigen, können Vibrationen aufgrund Spiels etc. in der Gliedanordnung ohne viskositätsbedingtes Dämpfen des Ansprechens wirksam unterdrückt werden.
Es sollte beachtet werden, daß der viskose Widerstand in der vorliegenden Erfindung und der oben beschriebenen dritten Ausführungsform vermittels Software hervorgerufen wird und er insoweit kein Energieverbrauchsproblem mit sich bringt, während der herkömmliche mechanische viskose Widerstand Energie verbraucht und zur Verwendung bei einem Schreitroboter nicht geeignet ist. Da im speziellen die Geschwindigkeit erfaßt wird, der erfaßte Wert unter Verwendung einer Software-Technik mit einem Koeffizienten multipliziert wird und das resultierende Produkt zum Drehmoment- (Strom-) Kommando rückgeführt wird, wird keine Energie verbraucht. (Obwohl Software-Techniken in dieser und der dritten Ausführungsform eingesetzt werden, ist es alternativ möglich, elektrische Schaltungen zu verwenden und ferner im Fall der dritten Ausführungsform eine mechanische Filtereinrichtung zu verwenden.)
Obwohl die Erfindung hinsichtlich Ausführungsformen eines zweibeinigen Schreitroboters erläutert worden ist, ist die Erfindung in der Anwendung nicht auf zweibeinige Roboter beschränkt, sondern kann ebenfalls bei Robotern mit nur einem Bein oder mit drei oder mehr Beinen angewendet werden.

Claims

1. System zum Steuern der Fortbewegung eines mit Beinen versehenen Schreitroboters mit einem Gliedermechanismus, der aus einem Körperglied (24) und zwei gelenkig beweglichen Beingliedanordnungen aufgebaut ist, die jeweils durch Hüftgelenke (10, 12, 14) mit dem Körperglied verbunden sind und jeweils ein Oberschenkelglied (27) und ein durch ein Kniegelenk (16) angeschlossenes Unterschenkelglied (28) und einen durch Knöchelgelenke (18, 20) angeschlossenen Fuß (22) aufweisen, umfassend:

Servomotormittel (36, 52, ..) zum Antreiben der Gelenke (10, 12, 14, 16, 18, 20) des Roboters;

Sensormittel (100, 102) zum Erfassen des Absolutwinkels und/oder der -winkelgeschwindigkeit des Körperglieds (24) bezüglich der Gravitationsrichtung; und ein Steuermittel (26) zum Bestimmen von Steuerwerten der Servomotoren zumindest unter Verwendung des erfaßten Absolutwinkels und/oder der erfaßten Absolutwinkelgeschwindigkeit des Körperglieds (24);

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Antriebsgelenke (10, 12, 14, 16, 18, 20) so ausgebildet sind, daß sie 12 Freiheitsgrade aufweisen;

Sensoren (37, 53, ..) zum Erfassen von Relativwinkeln und/oder -winkelgeschwindigkeiten zwischen den Gliedern der Antriebsgelenke (10, 12, 14, 16, 18, 20) vorgesehen sind;

erste Mittel (26) vorgesehen sind, um auf Basis eines vorbestimmten Schreitmusters eine Sollhaltung des Roboters als Sollwinkel und/oder -winkelgeschwindigkeiten der Glieder bezüglich der Gravitationsrichtung zumindest unter Verwendung des erfaßten Absolutwinkels und/oder der erfaßten Absolutwinkelgeschwindigkeit des Körperglieds sowie der Relativwinkel und/oder -winkelgeschwindigkeiten der Gelenke zu bestimmen;

zweite Mittel (26) vorgesehen sind, um eine Abweichung zwischen jeden Soll- und Ist-Gliederwinkeln und/oder - winkelgeschwindigkeiten des Roboters zu bestimmen; und

das Steuermittel die Steuerwerte der Servomotoren nach Maßgabe dieser Abweichung derart bestimmt, daß die Abweichung abnimmt.

2. System nach Anspruch 1, bei dem das Steuermittel die Steuerwerte als Drehmoment nach Maßgabe der Abweichung derart bestimmt, daß die Abweichung abnimmt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend dritte Mittel (26) zum Unterscheiden, welche Beingliedanordnung das Robotergewicht trägt, derart, daß das Steuermittel zur Bestimmung der Steuerwerte den Bewegungszustand der Beingliedanordnung erfaßt, welche Steuerwerte einen ersten, auf einer vorab aufgestellten Zustandsgleichung basierenden Rückführsteuerwert für wenigstens eines der Antriebsgelenke der tragenden Beingliedanordnung und einen zweiten Rückführsteuerwert für wenigstens eines der Antriebsgelenke der freien Beingliedanordnung umfassen.

4. System nach Anspruch 3, bei dem das Steuermittel den ersten Rückführsteuerwert durch Erfassung des Bewegungszustands der tragenden Beingliedanordnung über den Absolutwinkel und/oder die -winkelgeschwindigkeit bestimmt.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Steuermittel den zweiten Rückführsteuerwert durch Erfassung des Bewegungszustands der freien Beingliedanordnung über den Relativwinkel und/oder die -winkelgeschwindigkeit bestimmt.

6. System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem das Steuermittel die ersten und/oder zweiten Rückführsteuerwerte in der Reihenfolge bestimmt: Knöchelantriebsgelenke (18, 20) der tragenden Beingliedanordnung, Hüftantriebsgelenke (10, 12, 14) der tragenden Beingliedanordnung und Hüftantriebsgelenke (10, 12, 14) der freien Beingliedanordnung.

7. System nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem der zweite Rückführsteuerwert der freien Beingliedanordnung nicht geändert wird, bis die freie Beingliedanordnung auf dem Boden aufgesetzt hat.

8. System nach Anspruch 7, bei dem der zweite Rückführsteuerwert zu dem Zeitpunkt, wenn die freie Beingliedanordnung auf dem Boden aufgesetzt hat, konstant gemacht wird.

9. System nach Anspruch 3, bei dem das Steuermittel die Rückführverstärkung der ersten und zweiten Rückführsteuerwerte für die Hüft- und Knöchelantriebsgelenke (10, 12, 14, 18, 20) derart bestimmt, daß die Ansprechgeschwindigkeit der Antriebsgelenke in der Reihenfolge ansteigt tragende Beingliedanordnung, Körperglied und freie Beingliedanordnung.

10. System nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei dem das Aufsetzen oder Abheben der Beingliedanordnung über eine auf die Beingliedanordnung wirkende Last erfaßt wird.

11. System nach einem der Ansprüche 3 bis 10, bei dem der erste Rückführsteuerwert für die Knöchel antriebsgelenke (18, 20) der tragenden Beingliedanordnung auf ein Maximum begrenzt ist.

12. System nach Anspruch 11, bei dem das Maximum in dem Fall, wenn die freie Beingliedanordnung auf dem Boden aufsetzt, und in dem Fall, wenn die tragende Beingliedanordnung vom Boden abhebt, unterschiedlich ausgebildet ist.

13. System nach einem der Ansprüche 3 bis 12, bei dem die Rückführverstärkung der ersten und zweiten Rückführsteuerwerte bezüglich der Frequenz des Rückführsignals derart variiert wird, daß die Verstärkung bei einer Frequenz oberhalb einer Referenzfrequenz kleiner als diejenige unterhalb der Referenzfrequenz ist.

14. System nach Anspruch 13, bei dem die Referenzfrequenz größer als die Ansprechfrequenz der freien Beingliedanordnung ist.

15. System nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Referenzfrequenz auf Basis einer Schreitperiode und/oder einer Nutzlast variiert wird.

16. System nach einem der Ansprüche 3 bis 15, bei dem die Ausgänge der Servomotoren (36, 52, ..), die die Antriebsgelenke antreiben, zum ersten Rückführsteuerwert zurückgeführt werden, derart, daß in den Stelleinrichtungsausgängen ein viskoser Widerstand erzeugt wird.

17. System nach Anspruch 16, bei dem die Rückführung bei einer verhältnismäßig hohen Frequenz oberhalb einer vorbestimmten Frequenz durchgeführt wird.

18. System nach Anspruch 16 oder 17, bei dem der viskose Widerstand mittels Verwendung eines Softwarefiltermittels erzeugt wird.

19. System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der Absolutwinkel und/oder die winkelgeschwindigkeit der Beingliedanordnung über den Absolutwinkel und/oder die -winkelgeschwindigkeit des Körperglieds und den Relativwinkel und/oder die -winkelgeschwindigkeit der Beingliedanordnung bezüglich des Körperglieds erhalten wird.

20. System nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Antriebsgelenke (10, 12, 14, 16, 18, 20) gruppiert sind und in den Gruppen separat gesteuert sind, wobei die Gruppen untereinander koordiniert sind.

21. System nach Anspruch 20, bei dem die Antriebsgelenke (10, 12, 14, 16, 18, 20) in solche zur Verwendung bei der Bewegung in der Nickrichtung und solche zur Verwendung bei der Bewegung in der Wankrichtung gruppiert sind.