TW575482B - Two-feet gait traveling device and gait control device and method thereof - Google Patents

Description

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五、發明說明（1) [發明所屬之技術領域] 本發明係關於一種二腳步行式移動壯 士 一種實現步行穩定化的步行控制。 衣 彳寸別係關於 [先前技術] 習知所謂的「二腳步行式機器人 孫吝^ 的步行模式（以下稱「步態」生預先所設定 料進行步行控制，藉由以預定的步行楔^ #=依照步態育 實現二腳步行。 丁柄式使腳部動作，而 但是，此類二腳步行式機器人，將哼如％ 口口 ，I ό 从婶矢齡1塞笠 二A f ^ 士路面狀況、機 益人本身的物理參數决至4，而谷易使步行時 不穩定，依情況亦可能翻倒。相對於此，在未預=Z = 態資料之情況下，即時辨識機器人的步行狀態，同二 步行控制時，雖亦可能使步行時的姿勢穩定而步行，但是 即使在此情況下，當產生非預期的路面狀況等時，步彳^姿 勢將失去平衡’而導致機裔人翻倒。 因此，需要利用步1控制，將機器人腳底的地面反作 用力與重力之合成力矩變為零之點（以下稱ZMP: Zero Moment Point)，收斂於目標值，亦即執行所謂的ZMp補 償。該用以ZMP補償的控制方法，已知有如曰本專利特開 平5-30 5 583號公報中所揭示，利用柔量（comp 1 iance)控 制，將ZMP收斂於目標值’並加速並修正機器人上半身的 方法，以及修正機器人之腳接地處的控制方法。 但是，在此種控制方法中，利用ZMP規範，而實現機 器人的穩定化。所以，在此ZMP規範中，係將前提條件設

575482 五、發明說明（2) 定為地面不致使機器人的各腳打滑。然而，在此種構造的 二腳步行式機器人中，於使機器人各腳之腳底打滑的環 境，例如濕滑地面、冰上、泥濘或長毛絨毯等腳步不安定 的路面狀況下，將無法正確地執行Ζ Μ P的補償，且無法確 保機器人的穩定性，導致機器人的雙腳步行陷於困境。 [發明内容] 本發明乃有鑑於上述諸項問題點而研創者，其目的在 於提供一種即使在使腳底打滑的不穩定地面處亦可實現步 行穩定性之二腳步行式移動裝置、及其步行控制裝置與控 制方法。 上述目的可藉由本發明之第1構造達成。本發明之第1 構造係一種二腳步行移動裝置，其具備有··本體部；以可 朝二軸方向上進行搖擺之方式安裝在本體下部二側，且中 間具有膝部的二個腳部；以可朝二軸方向進行搖擺之方式 安裝在各腳部下端的腳掌部；使各腳部、膝部與腳掌部進 行搖擺的驅動機構；對應所要求動作，而產生包含目標角 度執道、目標角速度、目標角加速度之步態資料的步態產 生部；以及根據此步態資料而驅動控制上述驅動機構的步 行控制裝置；其中，上述步行控制裝置係包括有：用以檢 測出施加於各腳掌部之腳底之作用力的力感測器；以及根 據由上述力感測器所檢測出之作用力中的水平地面反作用 力，來修正步態產生部之步態資料的補償部。 本發明的二腳步行式移動裝置，上述本體最好為人型 機器人的上半身，且具備頭部與雙手部；且各腳掌部之腳

314193.ptd 第8頁 575482 五、發明說明（3) 底被分割為複數個，並在各個分割部中分別設置力感測 器。本發明的二腳步行式移動裝置，最好上述各分割部中 所具備的力感測器係屬於三軸力感測器；上述補償部則根 據各力感測器的檢測信號來演算六軸方向的作用力。上述 補償部最好利用自動校準來自動校正各力感測器的檢測信 號。 再者，上述目的可藉由本發明之第2構造達成。本發 明之第2構造係關於由：本體部；以可朝二軸方向上進行 搖擺之方式安裝在本體下部二側，且中間具有膝部的二個 腳部；以可朝二軸方向進行搖擺之方式安裝在各腳部下端 的腳掌部；使各腳部、膝部與腳掌部進行搖擺的驅動機 構；所構成的二腳步行移動裝置；在根據對應所要求動作 而由步態產生部所產生之包含目標角度執道、目標角速 度、目標角加速度的步態資料，驅動控制上述驅動機構的 二腳步行式移動裝置之步行控制裝置中，上述步行控制裝 置係包括有：用以檢測出施加於各腳掌部之腳底之作用力 的力感測器；以及根據由上述力感測器所檢測出之作用力 中的水平地面反作用力，修正步態產生部之步態資料的補 償部。 本發明的二腳步行式移動裝置之步行控制裝置，最好 各腳掌部之腳底被分割為複數個，並在各個分割部中分別 設置力感測器。上述各分割部中所具備的力感測器最好屬 於三軸力感測器；上述補償部則根據各力感測器的檢測信 號來演算六軸方向的作用力。上述補償部最好利用自動校

314193.ptd 第9頁 575482 五、發明說明（4) 準來自動校正各力感測器的檢測信號。 再者，上述目的可藉由本發明之第3構造達成。本發 明之第3構造係關於由：本體部；以可朝二軸方向上進行 搖擺之方式安裝在本體下部二側，且中間具有膝部的二個 腳部；以可朝二軸方向進行搖擺之方式安裝在各腳部下端 的腳掌部；使各腳部、膝部與腳掌部進行搖擺的驅動機 構；所構成的二腳步行移動裝置；在根據對應所要求動作 而由步態產生部所產生之包含目標角度執道、目標角速 度、目標角加速度的步態資料，驅動控制上述驅動機構的 二腳步行式移動裝置之步行控制方法中，上述步行控制方 法係包括有：在執行步態資料修正之際，利用力感測器檢 測出施加於各腳掌部之腳底之作用力的第1階段；以及根 據由上述力感測器所檢測出作用力的水平地面反作用力， 修正步態產生部之步態資料的第2階段。 本發明的二腳步行式移動裝置之步行控制方法，最好 各腳掌部之腳底被分割為複數個，並在各個分割部中分別 設置力感測器。上述各分割部中所具備的力感測器最好屬 於三軸力感測器；上述補償部則根據各力感測器的檢測信 號來演算六軸方向的作用力。上述補償部係利用自動校準 來自動校正各力感測器的檢測信號。 依照上述構造，根據由各腳掌部之腳底所設置的力感 測器檢測出的水平地面反作用力，而利用補償部修正步態 產生部的步態資料，並驅動控制驅動機構。所以，即使當 機器人的各腳掌部之腳底著地於較滑之地面時，可根據由

314193.ptd 第10頁 575482 五、發明說明（5) 腳底與地面間之摩擦力而所產生的水平地面反作用力來修 正步態資料，藉此可達本體（最好機器人上半身）的穩定 化。因此，即使在機器人的各腳掌部之腳底處於如濕滑地 面、冰上、泥濘或長毛絨毯等腳步不安定的路面狀況下， 仍可確保機器人的穩定性，且可確實地執行步行控制。 將各腳掌部之腳底分割為複數個，並在各分割部中分 別設置力感測器時，因為利用各分割部中所設置的力感測 器，可檢測出整體的水平地面反作用力，因此在機器人之 各腳掌部著地的狀態下，施加於各分割部中所設置的各力 感測器上之作用力將會分散。因此，各個力感測器可使用 較小型且輕量者，俾能夠降低成本。此外，因為藉由將施 加於各力感測器上的作用力予以分散，而可提昇各力感測 器的解析度，因此為了獲得相同解析度，用來將各力感測 器之檢測信號進行AD轉換的AD轉換器亦可採用性能較低且 低成本者。 再者，即使機器人僅各腳掌部其中一部份著地於地面 上，仍可確實地檢測出水平地面反作用力。藉此，即使機 器人的各腳掌部之腳底著地於例如因凹凸而僅部分為地面 的情況時，亦仍可確保機器人的穩定性，並可確實地執行 步行控制。 當上述各分割部中所分別設置的力感測器屬三軸力感 測器，且上述補償部根據各力感測器之檢測信號來演算六 軸方向之作用力時，因為可利用至少二個三軸力感測器來 演算六軸方向的作用力，因此藉由在各分割部分別設置廉

314193.ptd 第11頁 575482 五、發明說明（6) 價的三軸力感測器，即可檢測出如同六轴力感測器的六轴 方向之作用力，同時亦可降低成本。 上述補償部係當利用自動校準而自動地校正各力感測 器之檢測信號時，即使各力感測器隨因周圍溫度或時間變 化而使檢測精確度產生變化，仍可利用自動校準來進行自 動校正’而利用各力感測器的檢測信號更正確地檢測出水 平地面反作用力。 [實施方式] 以下，依據圖式的實施形態，詳細說明本發明。 第1圖及第2圖係顯示適用本發明之二腳步行式移動裝 置的二腳步行式機器人之一實施形態結構。 在第1圖中，二腳步行式機器人1 〇係包含有：屬於本 體的上半身1卜安裝於上半身1丨的下端二側且中間具有膝 部1 2 L，1 2 R的二個腳部1 3 L，1 3 R、以及安裝於各腳部W L κ 1 3 R下端的腳掌部1 4 L，1 4 R。 ’ 其中’上述腳部1 3L，1 3R係分別具有六個關節部位， 即由上方起依序為：相對於上半身丨丨之腰的腳部旋轉用 (繞著z軸周圍）之關節部15L，15R;腰之滾動大& ^ * 周圍）的關節部16L，16R;腰之俯仰方向（繞著 君罕 關節部17L，17R;膝部12L，12R之俯仰方向的Υ，圍）的 18L，18R’相對於腳掌部14L，14R之腳蝶部 節部1 9L，1 9R ;以及腳踝部之滾動方向的關^俯立仰方向的關 另外，各關節部15L，15R至20L，20R，分別’即部20L，20R。 達所構成。依此方式，腰關節係由上述β關節驅動用馬 關郎部15L，15R，

3l4193.ptd 第12頁 575482 五、發明說明（7) 16L，16R，17L，17砂斤構成，此外，腳掌關節則由關節部 1 9L，1 9R，20L，20狀斤構成。 此外’腰關節與膝關節之間，則利用大腿連桿2 1 L， 2 1 R連結在一起。膝關節與腳掌關節之間，則利用小腿連 桿2 2 L，2 2 R連結在一起。藉此，二腳步行式機器人1 〇之左 右二側的腳部1 3 L，1 3 R與腳掌部1 4 L，1 4 R，分別被賦予六自 由度，在步行中，藉由分別利用驅動馬達將該等1 2個關節 部驅動控制於適當角度，即可對腳部1 3 L，1 3 R、腳掌部 1 4 L，1 4 R整體賦予所希望的動作，並且可以任意步行於三 度空間。 再者，上述腳掌部1 4 L，1 4 R係在腳底（下面）設置有力 感測器23L，23R。此力感測器23L，23R係如後述分別檢測出 各腳掌部1 4L，1 4R之作用力（特別係水平地面反作用力 F )。另外，上述上半身1 1在圖式中雖僅顯示箱型狀，但實 際上亦可具備頭部或雙手。 第2圖係第1圖所示之二腳步行式機器人1 〇的電性構 造。在第2圖中，二腳步行式機器人1 0係具備有：對應要 求動作而產生步態資料的步態產生部2 4 ;以及根據此步態 資料，利用驅動機構（即關節驅動馬達），驅動控制上述各 關節部151，158至201^201?的步行控制裝置30。另外，二腳 步行式機器人1 0的座標系，係採用將前後方向設定為X方 向（前方+)、將橫方向設定為y方向（内側方向+)、將上下 方向設定為z方向（上方+)的xyz座標系。上述步態產生部 2 4係對應從外部所輸入的要求動作，而產生二腳步行式機

314193.ptd 第13頁 575482 五、發明說明（8) 器人1 0步行時所必需的包含各關節部1 5 L，1 5 R至2 0 L，2 0 R之 目標角度執道、目標值角速度、目標角加速度的步態資 料。 上述步行控制裝置3 0係由角度測量單元3卜補償部 3 2、控制部3 3、及馬達控制單元3 4所構成。上述角度測量 單元3 1係藉由從各關節部1 5 L，1 5 R至2 0 L，2 0 R之關節驅動用 馬達中所具備的例如旋轉解碼器等輸入各關節驅動用馬達 之角度資訊，而測量各關節驅動用馬達之角度位置（亦即 角度與角速度相關的狀態向量0 )，並特其輸出至補償部 32中。上述補償部32係根據力感測器23L，2 3R的檢測輸出 來演算水平地面反作用力F，然後根據此水平地面反作用 力F與角度測量單元3 1所測量的狀態向量0 ，而修正步態 產生部2 4所產生的步態資料，之後再將向量<9 i ( i = 1至η， 其中，η係機器人1 0步行相關的自由度）輸出至控制部3 3。 上述控制部3 3係從由補償部3 2所修正之步態資料的向量（9 i中，減去機器人各關節部的角度向量（9 0，然後根據向量 (0 i -0 0 )，而產生各關節點驅動用馬達之控制信號（即轉 矩向量r )。然後，上述馬達控制單元3 4係依照控制部3 3 的控制信號（轉矩向量τ )來驅動控制各關節驅動用馬達。 其中，上述力感測器23L, 23R因為屬於左右對稱的構 造，因此僅針對力感測器23L參照第3圖進行說明。在第3 圖中，力感測器2 3 L係在腳掌部1 4 L下面的腳底3 5下側，朝 水平方向進行分割，亦即朝X方向三分割、y方向二分割， 並分別設置六個力感測器3 6 a，3 6 b，3 6 c，3 6 d，3 6 e，3 6 f。各

314193.ptd 第14頁 575482 五、發明說明（9) 力感測器3 6 a，3 6 b，3 6 c，3 6 d，3 6 e，3 6 f係屬於相同的構造， 因此僅針對力感測器3 6a參照第4圖進行說明。 在第4圖中，力感測器36a係安裝於上方腳底3 7與下方 腳底3 8之間的三轴力感測器，當腳掌部1 4 L著地於地面 時，可檢測出從地面所受到的作用力。下方腳底3 8係以力 感測器3 6 a之感測器軸為中心可進行前後左右方向搖擺之 方式支撐著，而形成全方位利用搖擺均可著地的狀態。另 外，在此情況下，力感測器23L，23R雖分別分割為六個， 但是並不限定於此，只要至少分割為各腳掌部1 4 L，1 4 R的 腳後跟部二側與腳指頭二側的四個部分即可，甚至亦可分 割為七個以上。此外，各力感測器3 6 a至3 6 f在圖示的情況 下，雖排列配置於腳底上，但並不限定於此，亦可採取任 意配置。藉此，當機器人1 0步行之際，利用從腳掌部1 4 L， 1 4 R之腳後跟開始著地於地面上，可藉由各個三軸力感測 器吸收衝擊。 一般而言，即使在同一平面上設置四個以上的力感測 器，於所有力感測器著地的狀態下，分別檢測出作用力的 方式，在幾何學上乃屬不可能，第四個以上便屬多餘的。 但是，在此情況下，由於各分割部相互被分割，因而使所 有的力感測器3 6 a至3 6 f可著地於地面，而無多餘的力感測 器，各力感測器可分別檢測出作用力。所以，隨腳掌部 1 4 L，1 4 R著地於地面所施加的作用力，因為將分散施加於 各力感測器3 6 a至3 6 f，因此各力感測器3 6 a至3 6 f可使用小 型且輕量者，並可減低各力感測器3 6 a至3 6 f的成本。此

314193.ptd 第15頁 575482 五、發明說明（ίο) 外，因為施加於各力感測器3 6a至3 6 f的作用力會減小，因 此可提昇解析度。所以，為了獲得相同解析度，用以接受 各力感測器36a至36 f並進行AD轉換的AD轉換器亦可採用性 能較低且較廉價者，因此可減低AD轉換器的成本。 其中，上述各力感測器3 6 a至3 6 f雖屬三軸力感測器， 但是若有二個以上之三軸力感測器的話，亦可演算出六軸 方向的作用力。以下，針對從一般的η個三軸力感測器演 算六軸方向之作用力之情況，參照第5圖進行說明。 在第5圖中，在腳底處，相對於作用力測量原點0(0χ， 〇y )，配置有η個三軸力感測器SI，S2, S3，···，Sn。另外，作 用力測量原點0最好例如與腳掌部關節的驅動座標系一 致。 在此，若將各三軸力感測器S i的位置設定為S i = ( X (i )，Y ( i ))的話，六軸方向之作用力係分別以下式表示。 即，各方向之作用力F X，F Y，F Z係如下式： ⑴ i=l r-, v f ⑶ ί-1 而各方向的轉矩ΤΧ，ΤΥ，ΤΖ則如下式： i-1

314193.ptd 第16頁 575482 五、發明說明（11) ⑸ Τγ = 2) /ζ(〇 其中 rz=g(/y(〇-cosa + ·sina)^(X(i) -Ox)2 + (Y(i) -0Yf 上述式（6)中，a係如下式： ⑹ a tan ⑺ Y(，) - 依此，根據各力感測器36a至36 f之檢測輸出，利用補 償部3 2内所設置的演算電路進行演算，而檢測出六軸方向 的作用力。 再者，來自該等六軸方向之作用力的水平地面反作用 力F，係指隨地面與機器人1 0之腳底間之摩擦力而產生的 水平方向之作用力（即，上述X方向與Y方向之作用力FX，FY 的合力），其向量FC與大小| FC |係如下式： \Fx' F〇

Fy ⑻ 再者，各三軸力感測器3 6 a至3 6 f之各檢測輸出會有參 差不齊的情形，同時隨周圍溫度、時間變化等，檢測輸出 會產生變動。所以，各三軸力感測器3 6 a至3 6 f之檢測輸出 係利用如下述的自動校準，而在補償部3 2内自動地進行校 正 。 首先，針對Z軸方向的校準進行說明。 如上述所分散配置的三軸力感測器S 1至S η中，任意選 擇三個三軸力感測器（例如Sl，S2, S3)，將該等座標位置分

314193.ptd 第17頁 575482 五、發明說明（12) 別設定為 S1=X(1)，Y(1)，Z(1)， S2=X(2)，Y(2)，Z(2)， S3= X ( 3 )，Y ( 3 )，Z ( 3 )。然後，僅對該等三軸力感測器S1至S3施 加負載，而形成三點支撐的狀態，如第5 ( B )圖所示，在該 等三軸力感測器中，將適當的二個三軸力感測器（例如S 1 與S 2)以直線連接，並將相對於此直線而從剩餘一個三軸 力感測器S 3所拉出垂直線的交點設定為C。 其中，在上述垂直線上，將驅動對象的重心位置從S 3 靜靜地朝C移動，並測量此時從S 1至S 3所輸出的電壓值。 此時，移動中的測量點越多，越能夠正確地執行校正。 若將f設定為所測量的力道，將A，B設定為校準參數， 將V設為此時的電壓值，將Μ設定為驅動對象之總值量，將 g設定為重力加速度，將k設定為測量點時，則成立下述關 係式： ⑼ (10) (11) (12) fz{l)k = AVz{l)k + ^1 fz(2)k = + ^2 fz(3)k = z(3)k + ^3 fz(l)k + fz(l)k + fz(3)k = Mg fz(2)k /禅· 1(1) + /禅·尤(2) + /禪·尤(3) = 0 Λ(1),-^(1)+Λ(2), *^2)+ /ζ(3μΤ(3) =〇

314193.ptd 第18頁 575482 五、發明說明（13) 其中 程式並進 (13)： ，V，M，Y為已知，並將該等式子轉換成f之聯立方 行解聯立方程式，藉由，將其結果代入下式 2^=0 fz(i)k ^k=〇Vz(i)k Λ(0 . j ^k^0Vz(i)kfz(i)k ^ ⑽ 可同時 次測量便 依此 軸方向之 器，同樣 三軸力感 轴方向之 然後 首先 意的二個 身1 1或相 時的力矩 (F1=F2) 求得F / V直線的斜率A與截距B。然後，利用執行η 可計算出用以校正的修正參數。 ，便完成上述三個三軸力感冽器S 1至S 3相關的Ζ 校準。然後，再選擇其他不同的三個三軸力感測 地反覆進行修正參數之計算，藉由計算出所有的 測器之修正參數，可執行所有三軸力感測器的Ζ 校準。 ，針對ΧΥ軸相關的校準方法進行說明。 ，從分散配置的三軸力感測器S 1至Sn中，選擇任 三軸力感測器（例如SI，S2)，利用機器人的上半 反端的腳部1 3 L或1 3 R，產生繞著Z軸的力矩m。此 m與施加於三軸力感測器S 1，S2上之作用力F1，F2 ，將如下式（1 4 )所示： (14) 所以，計算出施加於各個三軸力感測器S 1，S 2的作用 力F 1，F 2，而其X成分、Y成分則如下式（1 5 )所示：

314193.ptd 第19頁 575482 五、發明說明（14) ^ =jP1-cos(9 fyiD^lsme ⑽ ^ fx(2)=F2^OSe ίγ(2)^Ρ293Ϊηθ 其中 優判

^ 7(2)-7(1) J 相對於此，從各三軸力感測器S 1，S 2所輸出的電壓V與 作用力f X，fy間之關係，若將測量次數設定為k的話，則如 下式（1 6 )所示： fx(l)k = Ac(1)^(1)A: +^x(1) fx(2)k = Ac(2)^x(2)k + ^x(2) ( 6) fy{l)k =^(1)^(1)^: +By(l) fy(2)k ^ Ay(2)Vy(2)k + By(2) 若將該等式子進行聯立，並執行n次測量的話，則獲 得以下之行列式： X=0^(〇fc 'ΒΜ ^jk^O f x(i)k li〇v^ Κ(}) _ · 2]^β〇^(ζ)/: /x{i)k 21 Σ Λ(〇· ^y〇)k . _ A,(〇 y(i)k f y(i)k _ (18) ，並可計算出修正參數A，B。 依此，可同時計算出X轴方向與Y軸方向的修正參數A，

314193.ptd 第20頁 575482 五、發明說明（15) B，並執行XY軸方向的校準。 本實施形態的二腳步行式機器人1 0乃如上述構造，而 步行動作則依第6圖所示之流程圖而進行。 在第6圖中，首先，在步驟ST 1中，步態產生部24根據 所輸入的要求動作（J = J )而產生步態資料，並輸出至步行 控制裝置30的補償部32。然後，在步驟ST2中，雙腳掌部 14L，14R中所設置的力感測器23L，23R，分別檢測出作用力 並將其輸出至補償部32。然後，在步驟ST3中，角度測量 單元31測量各關節部16L，16R至20L，20R的狀態向量0 ，並 將其輸出至補償部32。藉此，在步驟ST4中，補償部32係 根據力感測器2 3 L，2 3 R的檢測輸出，演算出水平地面反作 用力F。然後在步驟ST5中，補償部32係根據此水平地面反 作用力F與角度測量單元3 1的各關節部1 6 L，1 6 R至2 0 L，2 0 R 之狀態向量0來修正步態資料，並將向量0 i輸出至控制 部33。 其次，在步驟S T 6中，控制部3 3係從向量0 i中減去機 器人各關節部的角度向量0 0，然後根據向量（0 i -0 0 )而 產生各關節驅動用馬達之控制信號（即轉矩向量τ )，並將 其輸出至馬達控制單元34。然後，在步驟ST7中，馬達控 制單元3 4係根據此轉矩向量r驅動控制各關節部之驅動用 馬達。藉此，二腳步行式機器人1 〇便對應要求動作而執行 步行動作。 然後，在步驟ST8中，控制部33係藉由動作計數累加 而形成J = J + 1，在待機至既定取樣時間之後，再於步驟ST9

314193.ptd 第21頁 575482 -— 五、發明說明（16) 中，當上述j屬於預先決定之動 返回步驟ST2而重複上述動作。： = 時，再度 J已超過動作結束計數時，結束動J再步驟ST9中，當上述 斤在此情況下，在二腳步行式機器人10中，當谁—夂的 :”用馬達的驅動控制之際，，態資料將在補償；“關 中，根據各腳掌部14L，14R之腳底上所設置之力感 23L’ 23R所檢測出的水平地面反作用力m行修正* f i:。，而將此水平地面反作用力F當作規範、:；可 使機益人10獲得穩定性。藉此，機器人1〇的各腳 1 4R即使腳底著地於例如打滑的地面之時，因為腳底上， 設置的力感測器23L，23R可檢測出水平地面反作用力f，因 此可確實地執行相對於要求動作的步行動作。所以，在將 習知之ZMP當作規範的步行控制中屬於步行較為困難之例 如濕滑地面、冰上、泥濘或長毛絨毯等腳步不安定的路面 ^況下’依照本發明的二腳步行式機器人1 〇，仍可確保機 器人的穩定性，且可確實地執行步行控制。 再者 用以檢測出水平地面反作用力F之各腳掌部 14L，14R之腳底所設置的力感測器23L，23R，因為由分別被 分割為六個之各部所設置的三軸力感測器3 6 3至3 6 f所構 成’因此在各腳掌部丨4 l，1 4 R著地的狀態下，因為施加於 各分割部所分別設置的各三轴力感測器3 6 a至3 6 f之作用力 這會被分散’因此各三軸力感測器3 6 &至3 6 f可使用較小型 且輕量者，並可減低成本。 此外’因為施加於各力感測器的作用力會被分散，而

314193.ptd 第22頁 575482 五、發明說明（17) …至…的解析度提昇，因此，為了择 付目5 又 以將各二軸力感測器36a至36f之檢浪丨广 號進行AD轉換的AD轉換器，亦可採用性能較低且 ^ 者，因此可減低整體的成本。 ^ 再者，即使僅各腳掌部1 4L，1 4R之一部分著地於地面 時’仍可確實地檢測出水平地面反作用力。藉此，即使機 器人的各腳掌部之腳底，著地於例如因凹凸而僅部分為地 面的情況時，仍可確保機器人的穩定性，並可確實地執行 步行控制。 依此’依照本實施形態之二腳步行式機器人1 〇，根據 從各腳掌部1 4 L，1 4 R之腳底上所設置的力感测器2 3 L，2 3 R (即，被分割為複數個之腳底中所分別設置的三軸力感測 器3 6 a至3 6 f )檢測出之檢測信號而演算出的水平地面反作 用力F來修正步態資料，可將由腳底與地面間的摩擦力所 產生的水平地面反作用力F當作規範’而執行步行控制， 即使腳底處於容易打滑的路面狀況下，亦可實現機器人1〇 的步行穩定化。 在上述實施形態中，雖針對將本發明適用於二腳步行 式機器人之情況進行說明，但是旅不限定於此，舉凡利用 雙足支撐其他各種機器，並且利用此雙足進行步行的二腳 步行式移動裝置，均可適用本發明。 [產業上可利用性] 如上所述，依照本發明，因為根據各腳掌部腳底上所 設置的力感測器所檢測出的水平地面反作用力，並利用補

314193.ptd 第23頁 575482 五、發明說明（18) 償部修正步態產生部所產生的步態資料，並驅動控制驅動 機構，因此，即使當機器人的各腳掌部之腳底著地例如濕 滑地面、冰上、泥濘或長毛絨毯等腳步不安定的路面狀況 下、或如因凹凸而僅部分為地面的情況時，亦仍可確保機 器人的穩定性，且可確實地執行步行控制，可提供極優越 的二腳步行式移動裝置、及其步行控制裝置與步行控制方 法0

314193.ptd 第24頁 575482 圖式簡單說明 [圖式簡單說明] 本發明根據以上詳細說明及本發明的數個實施形態之 圖式，應可充分理解。另外，圖式所示之各種實施形態並 非特定或限定本發明，僅為使本發明的說明及理解更為容 易所記載者。 圖中， 第1圖係本發明之二腳步行式機器人一實施形態的機 械構造之概略圖。 第2圖係第1圖之二腳步行式機器人的電性構造之方塊 圖。 第3圖係表示第1圖之二腳步行式機器人的各腳掌部之 腳底中所設置之力感測的構造，（A)係從斜上方觀看到 的概略立體圖；（B )係從斜下方觀看到的概略立體圖。 第4圖係表示構成第3圖之力感測器之各三軸力感測器 之構造；（A)係從斜上方觀看到的概略立體圖；（B )係從斜 下方觀看到的概略立體圖。 第5 ( A )至（C )圖係第4圖之各三軸力感測器與作用力測 量基點之配置圖。 第6圖係第1圖之二腳步行式機器人的步行控制動作之 流程圖。 10 二腳步行式機器人 11 上半身 12L，12R 膝部 13L，13R 腳部 14L， 14R腳掌部 15L， 15R關節部

314193.ptd 第25頁 575482 圖式簡單說明 16L， 16R， 17L， 17R， 18L， 18R， 19L， 19R， 20L， 20R 關 即 部 21L， 21R 大 腿 連桿 22L，22R 小 腿 連 桿 23L， 23R 力 感 測器 24 步 態 產 生 部 30 步 行 控制 裝置 31 角 度 測 量 單 元 32 補 償 部 33 控 制 部 34 馬 達 控制 口 〇 一 早兀 35 腳 底 36 a至3 6f力 感 測器 37 上 方 腳 底 38 下 方 腳底 F 水 平 地 面 反 作用力 Sl，S2, S3，· Sn三 L軸力 感測器

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Claims (1)

1. 575482^.1ΰ ；1ΐ ^ 案號91133794 年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 1 . 一種二腳步行式移動裝置，其係具備有： 本體部； 二個腳部，係以可朝二軸方向進行搖擺之方式安 裝在本體下部二側，且中間具有膝部； 腳掌部，係以可朝二轴方向進行搖擺之方式安裝 在各腳部下端； 驅動機構，係使各腳部、膝部與腳掌部進行搖 擺； 步態產生部，係對應所要求動作，而產生包含目 標角度執道、目標角速度、目標角加速度之步態資 料；以及 步行控制裝置，係根據此步態資料而驅動控制上 述驅動機構； 其中，該步行控制裝置係包括有： 力感測器，用以檢測出施加於各腳掌部之腳底之 作用力；以及 補償部，係根據由該力感測器所檢測出之作用力 中的水平地面反作用力，來修正步態產生部之步態資 料。 2.如申請專利範圍第1項之二腳步行式移動裝置，其中， 上述本體係人型機器人的上半身，並具備有頭部與雙 手部。 3 ·如申請專利範圍第1或2項之二腳步行式移動裝置，其 中，各腳掌部之腳底係被分割為複數個，並在各個分

   314193. ptc 第27頁 575482 素號91133794 年月/ 6曰 修正 六、 、申請專利範圍 割 部 中 分 別 設 置 力 感 測 器 0 4. 如 中 請 專 利 範 圍 第 3項之二腳步行式移動裝置： ，其中， 上 述 各 分 割 部 中 所 設 置 的 力 感 測 器 係 屬 於三轴 力感測 器 上 述 補 償 部 係 根 據 各 力 感 測 器 的 檢 測信號 來演算 六 轴 方 向 的 作 用 力 0 5. 如 中 請 專 利 範 圍 第 4項之二腳步行式移動裝置， ，其中， 上 述 補 償 部 係 利 用 白 動 校 準 來 白 動 校 正 各力感 測器的 檢 測 信 號 Ο 6. 一 種 二 腳 步 行 式 移 動 裝 置 之 步 行 控 制 裝 置，係 關於 由 • 本 體 部 ， 二 個 腳 部 ， 係 以 可 朝 二 轴 方 向 上 進 行搖擺 之方式 安 裝 在 本 體 下 部 二 側 且 中 間 具 有 膝 部 9 腳 掌 部 1 係 以 可 朝 二 轴 方 向 進 行 搖 擺之方 式安裝 在 各 腳 部 下 端 以 及 驅 動 機 構 5 係 使 各 腳 部 Λ 膝 部 與 腳 掌部進 行搖 擺 9 所 構 成 的 二 腳 步 行 式 移 動 裝 置 9 在 根 據 對 應 所 要 求 動 作 而 由 步 態 產 生部所 產生之 包 含 因 標 角 度 執 道 標 角 速 度 、 標 角力口速 度在内 的 步 態 資 料 驅 動 控 制 該 驅 動 機 構 的 二 腳步行 式移動 裝 置 之 步 行 控 制 裝 置 中 j 該 步 行 控 制 裝 置 係 包 括 有

   314193. ptc 第28頁 575482 g修正、丨 i ,說12 ? S _大冻號 91133794 年/2月/4日_魅_ 六、申請專利範圍 力感測器，用以檢測出施加於各腳掌部之腳底之 作用力；以及 補償部，係根據由該力感測器所檢測出之作用力 中的水平地面反作用力，來修正步態產生部之步態資 料。 7. 如申請專利範圍第6項之二腳步行式移動裝置之步行控 制裝置，其中，該各腳掌部之腳底係被分割為複數 個，並在各個分割部中分別設置力感測器。 8. 如申請專利範圍第7項之二腳步行式移動裝置之步行控 制裝置，其中，該各分割部中所設置的力感測器係屬 於三軸力感測器； 該補償部係根據各力感測器的檢測信號來演算六 軸方向的作用力。 9. 如申請專利範圍第8項之二腳步行式移動裝置之步行控 制裝置，其中，該補償部係利用自動校準來自動校正 各力感測器的檢測信號。 1 0. —種二腳步行式移動裝置之步行控制方法，係關於 由： 本體部； 二個腳部，係以可朝二軸方向上進行搖擺之方式 安裝在本體下部二側，且中間具有膝部； 腳掌部，係以可朝二軸方向進行搖擺之方式安裝 在各腳部下端；以及 驅動機構，係使各腳部、膝部與腳掌部進行搖

   314193.ptc 第29頁 575482 見 修上匕 丨補鳥號 91133794 修正 六、申請專利範圍 擺； 所構成的二腳 在根據對應所 包含目標角度執道 悲貢料’驅動控制 之步行控制方法中 該步行控制方 在執行步態資 施加於各腳掌部之 根據由上述力 地面反作用力，來 段。 11.如申請專利範圍第 控制方法，其中， 個，並在各個分割 1 2 .如申請專利範圍第 控制方法，其中， 屬於三軸力感測器 上述補償部係 六軸方向的作用力 1 3 .如申請專利範圍第 控制方法，其中， 正各力感測器的檢 步行式移動裝置； 要求動作而由步態產生部 、目標角速度、目標角加 該驅動機構的二腳步行式 法係包括有： 料修正之際，利用力感測 腳底之作用力的第1階段； 感測器所檢測出之作用力 修正步態產生部之步態資 1 0項之二腳步行式移動裝 該各腳掌部之腳底係被分 部中分別設置力感測器。 11項之二腳步行式移動裝 該各分割部中所具備的力 所產生之 速度的步 移動裝置 器檢測出 以及 中的水平 料的第2階 置之步行 割為複數 置之步行 感測器係 根據各力感測器的檢測信號來演算 1 2項之二腳步行式移動裝 該補償部係利用自動校準 測信號。 置之步行 來自動校

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