TW586994B - Bipedal walking device and control device therefor - Google Patents

Description

586994 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關兩腳步行式移動裝置，尤指有關為實現 步行穩定化之步行控制。 【先前技術】 先前，所謂兩腳步行式機器人，係預先生成設定之步 行圖形（以下稱為步態（g a i t))貧訊，根據此步態貨訊貫施 步行控制，以使按預定之步行圖形使腳部動作以實現兩腳 步行。 然而，如此之兩腳步行式機器人，由於例如路面狀 況、機器人本身物理參數之誤差等，而容易於步行時姿勢 不穩定，甚至有時顛倒。相形之下，未經預先設定步態資 訊，而即時確認機器人之步行狀態以實施步行控制，則或 可使步行時之姿勢穩定以實施步行，但，於此情形，易於 遇到未預期之路面狀況等時，步行姿勢崩亂而導致機器人 顛倒。 因而，需要經由步行控制，使機器人之足底之地板反 作用力與重力之合成力矩成為零之點（以下稱零力矩點為 ZMP(Zero Moment Point))對準目標值之所謂ZMP校正。如 此之經ZMP校正之控制方法，有例如日本專利特開平5-3 0 5 5 8 3號公報所公開，利用順從性控制以使ZMP對準目標 值，使機器人之上體加速以校正之方法，或校正機器人足 部之著地場所之控制方法，為一般所周知。 然而，如此之控制方法，係按ZMP規範以使機器人穩 定化。而該ZMP規範，則以正確檢測出足底之地板反作用

314386.ptd 第7頁 586994 五、發明說明（2) 力為前提條件。 然而，如此構成之兩腳步行式機器人，於複雜凹凸之 不穩定之路面狀況時，有足底無法全部著地於路面之情 形，導致無法正確檢測出足底之地板反作用力，以致無法 正確實施ZMP校正。於是，無法嫁保機器人之穩定性，機 器人之兩腳步行發生困難。 【發明内容】 本發明有鑑於如上所述之問題點，以提供，即使於複 雜凹凸之不穩定路況時，仍可確實檢測出足底之地板反作 用力，以實現步行穩定性之兩腳步行式移動裝置，及其步 行控制裝置，為目的。 上述目的，按本發明之第一架構所形成之兩腳步行式 移動裝置，具備：本體；與安裝在本體之下部兩側可往兩 軸方向搖動之中間具有膝部之二支腳部；與，安裝在各腳 部之下端可往二軸方向搖動之足部，與使各腳部、膝部及 足部搖動之驅動機構，與，對應於要求動作以生成包括目 標角度執道、目標角速度、目標角加速度之步態資訊之步 態生成部，以及，根據此步態資訊以驅動控制上述驅動機 構之步行控制裝置，於兩腳步行式移動裝置之中，上述步 行控制裝置，包括，用以檢測加諸於各足部之足底之力之 力檢測部，與，根據上述力檢測部所檢測出之力以校正步 態生成步所生成之步態資訊之校正部，上述力檢測部，由 配置於各足部之足底之至少三個三軸力感測器所構成，上 述校正部，根據力檢測部之各三軸力感測器之中，檢測出

314386.ptd 第8頁 586994 五、發明說明（3) 有效之力之三個三軸力感測器之檢測訊號，以實施步態資 訊之校正，即可達成。 本發明之兩腳步行式移動裝置，以上述本體為人形機 器人之上體，且具備頭部及兩手部者，為佳。 本發明之兩腳步行式移動裝置，以各三軸力感測器由 足底往下方突出者，為佳。且以配置在等腰三角形之各頂 點位置者，為佳。再者，各三軸力感測器在各足部之足 底，配置在以足部之垂直驅動軸為中心之同一圓周上，亦 〇 本發明之兩腳步行式移動裝置，以各足部係由直接安 裝於腳部下端之足掌部，與，安裝在足掌部之尖端可上下 搖動之指尖亦即足尖部所構成，力檢測部之各三軸力感測 器，分散配置於足掌部及足尖部者，為佳。 本發明之兩腳步行式移動裝置，以一個三軸力感測器 配置於足掌部之腳後跟附近，另一個三軸力感測器配置於 足尖部之尖端附近，又另二個三軸力感測器左右配置於足 掌部及足尖部之交界附近區域者，為佳。 本發明之兩腳步行式移動裝置，以，上述校正部以自 動校準，將各三軸力感測器所送來之檢測訊號予以自動校 正者，為佳。 再者，上述目的，按本發明之第二架構所形成之兩腳 步行式移動裝置之步行控制裝置，則具備：本體；與，安 裝在本體之下部兩側可往二軸方向搖動之中間具有膝部之 二支腳部；與，安裝在各腳部之下端可往二軸方向搖動之

314386.ptd 第9頁 586994 五、發明說明（4) 足部，與，使各腳部、膝部及足部搖動之驅動機構，所構 成之兩腳步行式移動裝置相關連之，根據對應於要求動作 由步態生成部所生成之包括目標角度執道、目標角速度、 目標角加速度之步態資訊，以驅動控制上述驅動機構之兩 腳步行式移動裝置之步行控制裝置之中，包括：用以檢測 加諸於各足部之足底之力之力檢測部，與，根據上述力檢 測部所檢測出之力以校正由步態生成部所生成之步態資訊 之校正部，上述力檢測部，由配置於各足部之足底之至少 三個三轴力感測器所構成，上述校正部，根據力檢測部之 各三軸力感測器之中，檢測出有效之力之三個三軸力感測 器之檢測訊號，以實施步態資訊之校正，即可達成。 按本發明之第二架構所形成之兩腳步行式移動裝置之 步行控制裝置，各三軸力感測器由足底往下方突出者，為 佳。且，以三個三軸力感測器，在各足部之足底，配置在 等腰三角形之各頂點位置者，為佳。或，各三軸力感測 器，在各足部之足底，配置在以足部之垂直驅動軸為中心 之同一圓周上，亦可。 本發明之兩腳步行式移動裝置之步行控制裝置，以， 上述校正部以自動校準，將各三軸力感測器所送來之檢測 訊號予以自動校正者，為佳。 按上述架構，係根據設於各足部之足底之至少三個三 軸力感測器所形成之力檢測部所檢測出之力，由校正部修 正步態生成部所生成之步態資訊以驅動控制驅動機構。此 時，即時足部著地於複雜凹凸之路面時，由足底往下方突

314386.ptd 第10頁 586994 五、發明說明（5) 出之三個三軸力感測器仍確實接觸於路面。因而，即使為 不穩定之路面仍根據檢測有效之力之三個三軸力感測器之 檢測訊號，確實校正步態資訊，使本體，例如人形機器人 之上體穩定化。於是，即使為複雜凹凸之不穩定之路面狀 況，機器人之各足部之足底，仍可確保器人之穩定性，而 可確實進行步行控制。 三個三軸力感測器，在各足部之足底，配置於等腰三 角形之各頂點位置時，位於等腰三角形底邊之兩端頂點之 三軸力感測器形成左右對稱之條件，所以可將作用於各三 軸力感測器負荷左右均等分散之同時，可容易實施各三軸 力感測器之校準。 各三軸力感測器，在各足部之足底，配置在足部之垂 直驅動軸為中心之同一圓周上時，則該垂直驅動軸周圍之 轉矩成為同一條件，所以，可將此轉矩相關之負荷均等分 散於各三軸力感測器之同時，可容易實施各三軸力感測器 之轉矩相關之校準。 各足部係由直接安裝於腳部下端之足掌部，與在足掌 部之尖端可上下搖動地安裝之指尖亦即足尖部所構成，而 力檢測部之各三軸力感測器分散配置於足掌部及足尖部 時，即使僅足掌部或足尖部著地，力檢測部之各三軸力感 測器仍可檢測出足底之地板反作用力。 一個三軸力感測器配置於足掌部之腳後跟附近，另一 個三軸力感測器配置於足掌部之尖端附近，又另兩個三軸 力感測器，左右配置於足掌部及足尖部之交界附近區域

314386.ptd 第11頁 586994 五、發明說明（6) ' 時’即使僅f掌部或僅足尖部著地，仍為力檢測部之三個 一軸力感/則杰著地，所以仍可確實檢測足底之地板反作用 力。 一 ^上述权正部，以自動校準，將各三軸力感測器所送來 之檢測訊號自動校準時，即使力檢测部之各個三軸力感測 為因周圍之/獄度或經年變化而檢測精密度有所變化，仍可 由自動杈^予以自動校正，所以，仍可由力檢測部之各三 軸力感測器所送來之檢測訊號，正確檢測出地板反作用 力。 【實施方式】 ，下根據圖示之實施形態，詳細說明本發明。 第1圖至第2圖顯示，採用本發明之兩腳步行式移動裝 置之兩腳步行式機器人之一實施形態之架構。第1圖之 中’、兩=步行式機器人1 〇，包括：本體亦即上體11，與安 裝於上體11之下部兩側而中間具有膝部丨2L、i “之兩支腳 部13L、13R，與安裝於各腳部13L、13R之下端之足 14L、 14R。

上述腳部1 3L、1 3R，分別具有6個關節部，亦即由上 方依序為：對於上體丨丨之腰之腳部旋轉用（z轴方向）關節 部15L、15R，腰之旋轉方向（X軸方向）關節部16L、i6r， 腰之俯仰方向（Y軸方向）關節部17L、17R，膝部i2L、i2R 之彎擺方向關節部18L、18R，對於足部14L、丨“之腳踝呷 之彎擺方向之關節部19L、l9R，以及腳踝部之轉動方向L 關節部20L、20R。各關節部15L、15R至20L、20R，分別由

314386.ptd 第12頁 586994 五、發明說明（7) 各關節驅動用馬達所構成。如此，腰關節係由上述關節部 15L、15R 、16L、16R 、17L、17R所構成，而足關節係由 關節部19L、19R、20L、20R所構成。 並且’腰關節與膝關節之間，係由大腿連桿2丨L、2 i R 所連接’而膝關節與足關節之間，則由小腿連桿2 2 L、2 2 R 所連接。由此’兩腳步行式機器人丨〇之左右兩側之腳部 1 3 L、1 3 R與足部1礼、14R，各分別賦予6個自由度，於步 行中將此等1 2個關節部分別以驅動馬達驅動控制於適宜角 度，以賦予腳部13L、13R，足部14L、14R所希望之所有動 作，而可在任意之三度空間步行之架構。 進而，上述足部14L、14R，在足底（下面）具有力檢測 部2 3 L、2 3 R，此力檢測部2 3 L、2 3 R，如後述，分別用以檢 測各足部1 4 L、1 4 R之力，尤其水平地板地板之反作用力 F。另外，上述上體π，於圖示時，僅以箱狀顯示，但實 際上則具備頭部與兩手亦可。 第2圖顯示，第1圖所示之兩腳步行式機器人1 〇之電性 架構。第2圖中，兩腳步行式機器人1 0，具備，對應於要 求動作以生成步態資訊之步態生成部2 4，與根據此步態資 訊以驅動控制驅動機構，亦即上述之各關節部之關節驅動 用馬達151、151^以至201、201^之步行控制裝置30。 而且，兩腳步行式機器人1 〇之座標系，係使用前後方 向為X方向（前方為+)，橫方向為Y方向（内方為+)，以及上 下方向為Z方向（上方為+)之χγΖ座標系統。 上述步態生成部2 4，對應於由外部所輸入之要求動

314386.ptd 第13頁 586994 五、發明說明（8) 作，以生成兩腳步行式機器人1 0之步行所需之，包括各關 節部1 5 L、1 5 R以至2 0 L、2 0 R之目標角度軌道、目標角速 度、目標角加速度之步態資訊。 上述步行控制裝置3 0，由角度計測單元3 1，與校正部 3 2，與控制部3 3，以及馬達控制單元3 4所構成。 上述角度計測單元3 1，由設於各關節部1 5 L、1 5 R以至 2 0 L、2 0 R之關節驅動用馬達之例如旋轉編碼器等輸入各關 節驅動用馬達之角度資訊，以計測各關節驅動用馬達之角 度位置，亦即角度及角速度相關之狀態向量0中，並輸出 予校正部3 2。上述校正部3 2，根據力檢測部2 3 L、2 3 R所送 來檢測出之力以計算水平地板反作用力F，並根據此水平 地板反作用力F及角度計測單元3 1所計測之狀態向量0以 修正步態生成部24所生成之步態資訊，然後將向量0 i (i = 1至η，其中之η為機器人1 0之步行相關自由度）輸出予 控制部3 3。而上述控制部3 3，由校正部3 2所校正之步態資 訊亦即向量0 i減去機器人之各關節部之角度向量Q 0，根 據向量（0 i -0 0 )，以生成各關節驅動用馬達之控制訊 號，亦即轉矩向量τ 。並且，上述馬達控制單元3 4，根據 控制部3 3所送來之控制訊號（轉矩向量τ )以驅動控制各關 節驅動用馬達。 在此，上述力檢測部2 3 L、2 3 R為左右對稱之架構，所 以對於力檢測部23L，參照第3圖說明之。第3圖中，力檢 測部2 3 L，係在足部1 4 L之下面亦即足底板3 5之下側，由配 置於前緣兩側及後緣中央之三個三轴力感測器3 6 a、3 6 b、

314386.ptd 第14頁 586994 五、發明說明（9) 3 6 c所構成。 各三軸力感測器3 6 a、3 6 b、3 6 c，互為相同之構成， 且如第3圖（A)及（B)所示，由足底往下方突出之架構。而 且，各三軸力感測器3 6 a、3 6 b、3 6 c，如第4圖所示，在足 部之足底，配置在以後緣為頂尖之等腰三角形之各頂點。 各三軸力感測器3 6 a以至3 6 c，各個檢測出之力之間有 所偏差，且因周圍之溫度以及經年變化等而檢測出之力亦 變動。因而，各三轴力感測器3 6 a以至3 6 c之檢測出之力， 以如下之自動校準，在校正部3 2内予以自動校正。 首先，就Z轴方向之校準予以說明。 第5圖（A)中，在足底，對於力計測之原點0(0x，Oy) 配置有η個三軸力感測器S 1、S2、S3··· Sη。力計測之原點 0，以與例如足部關節之驅動座標系一致為佳。在此，將 各三軸力感測器S i之位置，設為Si = (X(i)，Y(i))，由如 上述分散配置之三軸力感測器S 1以至S η之中，任意選擇三 個三軸力感測器，例如S 1、S 2、S 3，並將此等之座標位置 各設為 S1=X(1)，Y(l)，Z(l)，S2 = X(2)，Υ(2)，Ζ(2)， S3:X(3)， Υ(3)， Ζ(3)。 使負荷僅作用於此等三軸力感測器S 1至S3之三點支撐 之狀態，並如第5圖（Β )所示，在此等之中，將適宜之二個 三軸力感測器，例如S 1及S 2以直線連接，由此直線往剩下 之一個三軸力感測器S 3拉垂直線，並設其相交點為C。 在此，上述垂直線上，使驅動對象之重心位置由S 3往 C靜性移動，以計測此時由S 1以至S3所輸出之電壓值。此

314386.ptd 第15頁 586994 五、發明說明（ίο) 時，移動中之計測點愈多，則有愈正確之校正。 設，：f為所計測之力，A、B為校準參數，V為該時刻之 電壓值，Μ為驅動對象之全質量，g為重力加速度，K為計 測點，則如下之關係式成立：

Λ(ιμ = Α_Κ(ιμ + A ^ fz(2)k =：J^2^z(2)k +^2 fz(3)k =J^3^z(3)k +^3 fz(l)k +fz(2)k+fz(3)k fz(l)k = fz(2)k IΛ(1), -^(1) + Λ(2), -^(2) + Λ(3), -^(3) = 〇 ；U)k ^(1) + Λ(2), -^(2) + Λ(3), ^(3) = 〇 其中，V、Μ、Υ為已知，將此等式以f之連立方程式解 之，並將其結果帶入以下之式 ΑΟΤ ^jk-Q fz{i)k ^k^〇Vz(i)k 4(0. ^jk^z{i)kfz(i)k ，則可同時獲得所求之F / V直線之斜率A及截距B。並且， 經由η次之計測，而可算出校正所需之校正參數。 如此，則上述三個三軸力感測器S1以至S3相關之Ζ軸 方向之校準終了 。然後’選擇另三個三轴力感測器，以相 同方法算出校正參數，並反覆實施，則可算出全部之三軸 力感測器之校正參數，而可完成全部之三軸力感測器之Ζ 軸方向之校正。

314386.ptd 第16頁 586994 五、發明說明（11) 其次，說明有關X Y軸之校準之方法。 首先，如第5圖（C )所示，由分散配置之三軸力感測器 S1以至Sn之中，選擇例如S卜S2之任意二個三軸力感測 器，並利用機器人之上體1 1或相反側之腳部1 3L或1 3R，以 產生Z軸方向之力矩in。此時作用於力矩m與三軸力矩感測 器SI、S2之力FI、F2，成為F1 = F2，且可以下式表示： m = - Z(2))2 + (7(1)-7(2))2 於是可算出作用於各個之三軸力感測器S卜S 2之力 F 1、F 2，而各個之X成分、Y成分，係以下式表示： fx(1)^Fbcos0 fy(i) =^1-sin (9 fx(2) -Fl-cosd /_y(2) .sin 0 在此，則以 n ：X(2)-X(iy

<9 = tan v J 表示 f x 對此，各三軸力感測器S卜S 2所輸出之電壓V與力 f y之關係，將計測次數設為k，則可以下式表示： fx(l)k ^A(l)Vx(l)k +Bx〇) x(2)k ==A(2)Vx(2)k +Bx(2)

fy{2)k =Ay(2)Vy(2)k+B

第17頁 314386.ptd 586994 五、發明說明（12) 將此等式連立，並實施 行列式，而可求得校正參數 η次之計測，則可獲得如下之 A、 Β： 2 VZ «o-oly〆 71灸C仓ΣΣ Σ Σ ο

fx(i)k 从)_ ^jk^O^x^k f x(^T)k y(l)k Λ(0_ ^jk^O f y(i)k ^jk^=〇Yy{i)kfy(i)k X軸方向及Y軸方向之校正參數A、Β， [交正。 L·，於各三轴力感測器3 6 a以至3 6 c如 等腰三角形之頂點時，位於三角形 降力感測器3 6 a、3 6 b，形成左右對稱 匕校正參數為相同值。隨之，可容易 t兩腳步行式機器人1 0係如上述之架 安第6圖中之流程圖而以下述方式進 如此，同時算出 則可實施XY軸方向之i 然而，上述之校j 第4圖所示，各配置於 前側底邊之兩端之三4 之配置，所以校準後： 實施校正。 本發明實施形態： 構，而其步行動作，^ 行。 在步驟ST 1，步態生成部2 4根據所輸 成步態資訊，並將其輸出予步行控 。在步驟ST2，設於雙方之足部14L、 2 3 R分別檢測出力，並將其輪出於校 第6圖中，首先， 入之要求動作（J = J)生 制裝置3 0之校正部3 2 14R之力檢測部23 L、 正部3 2。在步驟ST 3，由角度計測單元3 1計測各關節部 16乙、16!?以至2〇1、2〇1?之狀態向量0，並輸出予校正部

I

第18頁 314386.ptd 586994 五、發明說明（13) 3 2。由此，在步驟S T 4，由校正部3 2根據力檢測部2 3 L、 2 3 R所檢測出之力以計算水平地板反作用力ρ。然後，在步 驟S T 5，由校正部3 2根據水平地板反作用力f及角度計測單 元3 1所計測出之各關節部1 6 L、1 6 R以至2 0 L、2 0 R之狀態向 篁0以修正步悲資说’並將向量Θ i輸出於控制部3 3。 其次，於步驟ST6，控制部33，由向量0 i減去機器人 各關節部之角度向量（9 〇，根據（<9 i - 0 〇 )，以生成各關節 驅動用馬達之控制號’亦即轉矩向量^ ，並輸出於馬達 控制卓元3 4。然後’在步驟S T 7，由馬達控制單元3 4，根 據此轉矩向量r以驅動控制各關節部之關節驅動用馬達。 由此，兩腳步行式機器人1 〇，對應於要求動作，進行步行 動作。 接者’在步驟S T 8 ’由控制部3 3以動作計數增量，按 J = J + 1，等待預定之取樣時間之後，在步驟S T 9，當上述J 在預先所定動作終了之計數以下時，則再回到步驟S T 2， 反覆上述動作。而在步驟ST9，當上述J超過動作終了計數 時’則完結動作。 此時，於兩腳步行式機器人1 〇之中，於各關節驅動用 馬達之驅動控制時，校正部3 2將步態資訊根據設於各足部 1 4 L、1 4 R之足底之力檢測部2 3 L、2 3 R之各三軸力感測器 36a、36b、36c所送來之檢測訊號之水平地板反作用力F予 以修正，以生成向量Θ i，並以此水平地板反作用力F為規 範，以使機器人1 0獲得穩定性之架構。由此，即使機器人 1 0之各足部1 4L、1 4R著地於，例如足底為複雜之凹凸不平

314386.ptd 第 19 頁 586994 五、發明說明（14) 之不穩定路面，仍因設於足底之力檢測部2 3 L、2 3 R之各三 轴力感測為3 6 a、3 6 b、3 6 c可確貫著地而檢測出水平地板 反作用力F ’所以，可對於要求動作確實進行步行動作。 第7圖以至第8圖，各顯示上述之力檢測部23L、23R之 各三軸力感測器之其他之構成例。 首先，在第7圖中，各三軸力感測器36a、36b、36c， 配置於正三角形之頂點。按如此配置三軸力感測器36a、 36b、36c，則，與第4圖中之三軸力感測器36a以至36访 相同作用之同時，對於各三軸力感測器3 6 a、3 6 b、3 6 c之 負荷形成均等分散，所以可減輕各三軸力感測器36a、 3 6 b、3 6 c之負荷。 在第8圖中，則各三軸力感測器36a、36b、36c，與第 4圖相同配置於等腰三角形之頂點之同時，配置於以足部 1 4 L、1 4 R之腳部1 3 L、1 3 R之垂直驅動軸〇為中心之同一圓 周上。如此之三軸力感測器36a、36b、3 6c之配置，則與 第4圖中之三軸力感測器36a以至3 6c有相同作用之同時， 可谷易貫施上述垂直驅動轴〇周圍之轉矩校正。 第9圖以至第11圖，顯示分別以上述之力檢測部2 3 L、 2 3 R之各三軸力感測器之又另一構成例，此等構成例之 中，各足部1 4 L、1 4 R，係由直接安裝於各腳部1 3 L、1 3 R之 足掌部14La、14Ra與，安裝成對於各足掌部14La、14Ra可 往上下方向搖動之指尖亦即足尖部1 4Lb、1 4Rb所構成。足 尖部1 4 L b、1 4 R b，可與其他之關節部相同對於足掌部 14La、14Ra以驅動機構主動地予以搖動亦可，或被動地搖

314386.ptd 第20頁 586994 五、發明說明（15) 動亦可。 然後，第9圖中，足尖部14Lb、14Rb，在其尖端之偏 内側之位置，具有一個三軸力感測器3 6 a，另在後端之兩 端附近之位置，各具有三軸力感測器3 6 e、3 6 f之同時，足 掌部1 4 L a、1 4 R a在其後端之腳後跟部，具有一個三轴力感 測器36g。 相對地，校正部3 2，根據力檢測部2 3 L、2 3 R之各三軸 力感測器3 6 d以至3 6 g之檢測訊號，選擇例如檢測較大力之 三軸力感測器，根據檢測有效之力之三個三軸力感測器 3 6 d以至3 6 g之水平地板反作用力，以修正步態資訊。 按照如此之三軸力感測器36d、36e、36f、36g之配 置，則，當足部14L、14R之足掌部14La、14Ra著地於路面 時，如第9圖（A)所示，設於足尖部14Lb、14Rb之後端之兩 個三軸力感測器36e、36f與設於足掌部14La、14Ra之後端 之一個三軸力感測器3 6 g之三個三軸力感測器3 6 e、3 6 f 、 3 6 g接地於地板面，而受到如第9圖（B )之斜線所示之負 荷’形成由地板面受到水平地板反作用力之形態。於是， 校正部3 2，根據上述之三個三軸力感測器3 6 e、3 6 f、3 6 g 之檢測訊號計算水平地板反作用力，以實施步態資訊之修 正 ° 相對地，由於步行姿勢之變化，而僅有足部1 4 L、1 4 R 之足尖部14Lb、14Rb著地於路面時，如第1〇圖（a)所示， 設於足尖部1 4 L b、1 4 R b之尖端及後端之三個三軸力感測器 3 6 d、3 6 e、3 6 f接觸於地板面，受到如第1 〇圖（β )之斜線所

314386.ptd 第21頁 586994 五、發明說明（16) 示之負荷，形成由地板面受到水平地板反作用力之形態。 於是，校正部3 2，根據上述之三個三軸力感測器 36d、36e、36 f之檢測訊號以計算水平地板反作用力，以 實施步態資訊之修正。如此，即使由於步行姿勢之變化， 而足部14L、14 R對於地板之接觸狀態變化，三個三軸力感 測器3 6 e、3 6 f、3 6 g，或3 6 d、3 6 e、3 6 f，仍受到由地板面 之水平反作用力而檢測出有效之力，所以，校正部3 2可確 實進行步態資訊之修正。 在第1 1圖中，各三軸力感測器36d以至36g，與第9圖 之情形比較時，在足掌部1 4 L a、1 4 R a之尖端兩側各設有三 軸力感測器36h、36i以替代設在足尖部14Lb、14Rb之後端 兩側之三軸力感測器36e、36f之同時，足尖部14Lb、14Rb 尖端之三軸力感測器3 6 d配置於左右方向之大致中央之位 置。由此，三軸力感測器3 6 h、3 6 i，對於三軸力感測器 3 6 d或3 6 g形成各配置於等腰三角形之頂點之形態。 按照如此之三軸力感測器3 6 d、3 6 h、3 6 i、3 6 g之配 置，則，與第9圖中之三軸力感測器36d以至3 6g有相同作 用之同時，可容易實施中間之三軸力感測器3 6h、3 6 i之校 準，而且，由於中間之三軸力感測器3 6 h、3 6 i，係安裝於 較足尖部14Lb、14Rb為大之足掌部14La、14Ra，所以可更 堅固地安裝於足部14L、14R。 而且，第1 1圖中，中間之三軸力感測器36h、36i，各 設於足掌部1 4La、1 4Ra之尖端兩側，但非受限於此，即使 如第1 1圖所示，設於足掌部14La、14Ra與足尖部14Lb、

314386.ptd 第22頁 586994 五、發明說明（17) 1 4Rb之連接區域亦可。 如此，按本發明實施形態之兩腳步行式機器人1 0，則 設於各足部1 4 L、1 4 R之足底之力檢測部2 3 L、2 3 R之各三軸 力感測器36a以至36c或36d以至36g或36d、36h、36i以及 3 6 g，即使遇到複雜凹凸之路面，仍可確實著地。因而， 經由根據各三軸力感測器所送來之檢測訊號所計算出之水 平地板反作用力F，而修正步態資訊，以足底與地板面之 摩擦力所產生之水平地板反作用力F為規範實施步行控 制，即使在複雜凹凸之不穩定路況，仍可實現機器人1 0之 穩定步行。 上述之實施形態中，例如第4、7、8、9及1 1圖中，三 軸力感測器為左右對稱配置，但非受限於此，即使配置於 不等邊三角形之頂點亦可。再者，上述實施形態中，三軸 力感測器係各安裝於構成足底之一片板之下面，但非受限 於此，即使三軸力感測器之下方亦安裝有板材，而三軸力 感測器插於兩片板之間之構成亦可。在此情形，三軸力感 測器非但檢測壓縮力，亦檢測拉力。 如此之架構，例如各三軸力感測器，於前後方向及左 右方向均以等分位置配置於足底，則可容易實施力之放大 及校準之同時，可以最佳效率活用感測器。 再者，上述實施形態中，例如第4、7、8圖中，力檢 測部2 3 L、2 3 R各設有三個三軸力感測器3 6 a、3 6 b及3 6 c， 且第9及1 1圖中，力檢測部23L、2 3R隨步行姿勢之變化， 恆常有三個三軸力感測器36d，36e(36h)，36f (36i )或

314386.ptd 第23頁 586994 五、發明說明（18) 36e(36h)，36f(36i)，36g著地於地板面，但非受限於 此，即使各設三個以上之三軸力感測器亦可。例如第4圖 中以鏈線所示，在中間區域設兩個三軸力感測器3 6 j、3 6 k 亦可。在此情形，校正部3 2將各三軸力感測器3 6 a、3 6 b、 3 6 c、3 6 j、3 6 k之檢測訊號予以比較。選擇檢測較大之力 之三個三軸力感測器，由選擇出之三個三軸力感測器之檢 測訊號以算出水平地板反作用力，即可。 再者，上述實施形態之中，校正部3 2，根據力檢測部 2 3L、2 3R之各三軸力感測器所送來之檢測訊號，作為水平 地板反作用力之規範以修正步態資訊，但非受限於此，而 使以與先前相同根據力檢測部2 3 L、2 3 R之各三軸力感測器 所送來之檢測訊號以ZMP規範實施步態資訊之校正亦可， 當毋庸贅言。 再者，上述之實施形態之中，係就本發明適用於兩腳 步行式機器人之情形予以說明，但非受限於此，對於其他 之各種機器以兩支腳予以支撐，且以此兩支腳步行之兩腳 步行式移動裝置均可適用本發明，亦毋庸贅言。 【產業上利用之可能性】 如上所述，按本發明，則可提供，即使處於複雜凹凸 之不穩定路況之中，仍可正確檢測出機器人足底之地板反 作用力以實現穩定步行之，極為優秀之兩腳步行式移動裝 置及其步行控制裝置。

314386.ptd 第24頁 586994 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 本發明，按以下之詳細說明及顯示本發明之幾個實施 形態之附圖，當可獲得更一層之瞭解。而且，附圖所顯示 之實施形態，僅為使本發明之說明及了解上方便所記載， 而非用以特定或限定本發明之範圍。 圖中： 第1圖係顯示本發明兩腳步行式機器人之一實施形態 之機器架構之概略圖。 第2圖係顯示第1圖中之兩腳步行式機器人之電性架構 之方塊圖。 第3圖係顯示第1圖中之兩腳步行式機器人之設於各足 部之足底之三軸力感測器之構成，（A)為由斜上方所透視 之概略斜視圖。（B )為由斜下方所透視之概略斜視圖。 第4圖係顯示第3圖之三軸力感測器配置之足底俯視 圖。 第5圖係顯示第4圖之各三軸力感測器與力計測之基點 之配置圖。 第6圖係顯示第1圖中之兩腳步行式機器人之步行控制 動作之流程圖。 第7圖係顯示第3圖之三軸力感測器之配置之第一變形 例之足底俯視圖。 第8圖係顯示第3圖之三軸力感測器之配置之第二變形 例之足底俯視圖。 第9圖係即為第3圖之三軸力感測器之配置之第三變形

314386.ptd 第25頁 586994 圖式簡單說明 例，（A)為足部之側視圖，（B )為足底之俯視圖。 第1 0圖係為第9圖之變形例之中，以足尖部著地時 之，（A)為足部之側視圖，（B)為足底之俯視圖。 第1 1圖係顯示第3圖之三軸力感測器配置之第二變形 例之足底俯視圖。 10 兩腳 丨步 行 式 機 器 人 11 上 體 12L、 12R 膝 部 13L、 13R 腳 部 14L 14R 足 部 14La 、：l4Ra 足 掌 部 14Lb 、：URb 足 尖 部 15L、 15R 腳部 旋 轉 用 關 即 1 6L、 16R 腰 之 旋 轉 方 向 關 節部 1 7L、 17R 腰 之 俯 仰 方 向 關 節部 18L、 18R 膝 部 之 彎 擺 方 向 關節部 1 9L、 19R 腳 踝 部 之 彎 擺 方 向關節部 20L、 20R 腳 踝 部 之 轉 動 方 向關節部 21L、 21R 大 腿 連 桿 22L、 22R 小 腿 連 桿 23L、 23R 力 檢 測部 24 步 態 生 成 部 30 步 行 控 制 裝 置 31 角 度 計 測 單 元 32 才父 正 部 33 控 制 部 34 馬 達 控 制 單 元 35 足 底 板 3 6 a至 36k、 Si， 、S i至 Sn 二 軸 力 感 測 器 F 反 作 用 力 τ 轉 矩 向 量

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Claims (1)

1. 586994 六、申請專利範圍 1 . 一種兩腳步行式移動裝置，係具備：本體；與安裝在 本體之下部兩側可往兩軸方向搖動之中間具有膝部之 二支腳部；與，安裝在各腳部之下端可往二軸方向搖 動之足部，與使各腳部、膝部及足部搖動之驅動機 構，與，對應於要求動作以生成包括目標角度軌道、 目標角速度、目標角加速度之步態資訊之步態生成 部，以及，根據此步態資訊以驅動控制上述驅動機構 之步行控制裝置，於兩腳步行式移動裝置之中， 上述步行控制裝置，包括，用以檢測加諸於各足 部之足底之力之力檢測部，與，根據上述力檢測部所 檢測出之力，以校正步態生成步所生成之步態資訊之 校正部， 上述力檢測部，由配置於各足部之足底之至少三 個之三軸力感測器所構成， 上述校正部，根據力檢測部之各三軸力感測器之 中，檢測出有效之力之三個三軸力感測器之檢測訊 號，以實施步態資訊之校正者。 2. 如申請專利範圍第1項之兩腳步行式移動裝置，其中， 上述人體為人形機器人之上體，且具備頭部及兩手部 者。 3. 如申請專利範圍第1項之兩腳步行式移動裝置，其中， 各三軸力感測器，由足底往下方突出。 4. 如申請專利範圍第1項之兩腳步行式移動裝置，其中， 三個三轴力感測器，在各足部之足底，配置在等腰三

   314386.ptd 第27頁 586994 六、申請專利範圍 角形之各頂點位置者。 5. 如申請專利範圍第1項之兩腳步行式移動裝置，其中， 各三軸力感測器，在各足部之足底，配置在以足部之 垂直驅動軸為中心之同一圓周上者。 6. 如申請專利範圍第1項之兩腳步行式移動裝置，其中， 各足部，係由，直接安裝於腳部下端之足掌部， 與，安裝在足掌部之尖端可上下搖動之指尖亦即足尖 部，所構成， 力檢測部之各三軸力感測器，係分散配置於足掌 部及足尖部者。 7. 如申請專利範圍第6項之兩腳步行式移動裝置，其中， 一個三軸力感測器配置於足掌部之腳後跟附近，另一 個三軸力感測器配置於足尖部之尖端附近，又另二個 三軸力感測器，係左右配置於足掌部及足尖部之交界 附近區域者。 8. 如申請專利範圍第1項之兩腳步行式移動裝置，其中， 上述校正部，以自動校準，將各三軸力感測器所送來 之檢測訊號予以自動校正者。 9. 一種兩腳步行式移動裝置之步行控制裝置，係具備： 本體；與，安裝在本體之下部兩側可往二軸方向搖動 之中間具有膝部之二支腳部；與，安裝在各腳部之下 端可往二軸方向搖動之足部，與，使各腳部、膝部及 足部搖動之驅動機構，所構成之兩腳步行式移動裝置 相關連之，根據對應於要求動作由步態生成部所生成

   314386.ptd 第28頁 586994 六、申請專利範圍 之包括目標角度軌道、目標角速度、目標角加速度之 步態資訊，以驅動控制上述驅動機構之兩腳步行式移 動裝置之步行控制裝置之中， 包括：用以檢測加諸於各足部之足底之力檢測 部，與，根據上述力檢測部所檢測出之力，以校正由 步態生成部所生成之步態資訊之校正部， 上述力檢測部，由配置於各足部之足底之至少三 個三軸力感測器所構成， 上述校正部，根據力檢測部之各三軸力感測器之 中，檢測出有效之力之三個三軸力感測器之檢測訊 號，以實施步態資訊之校正者。 1 0 .如申請專利範圍第9項之兩腳步行式移動裝置之步行控 制裝置，其中，各三軸力感測器，係由足底往下方突 出者。 1 1.如申請專利範圍第9項之兩腳步行式移動裝置之步行控 制裝置，其中，三個三軸力感測器，在各足部之足 底，配置在等腰三角形之各頂點位置者。 1 2 .如申請專利範圍第9項之兩腳步行式移動裝置之步行控 制裝置，其中，各三軸力感測器，在各足部之足底， 配置在以足部之垂直驅動軸為中心之同一圓周上者。 1 3.如申請專利範圍第9項之兩腳步行式移動裝置之步行控 制裝置，其中，各三軸力感測器，在各足部之足底， 對於前後方向及橫方向形成等分配置者。 1 4.如申請專利範圍第9項之兩腳步行式移動裝置之步行控

   第29頁 314386.ptd 586994 六、申請專利範圍 制裝置，其中，上述校正部，以自動校準，將各三軸 力感測器所送來之檢測訊號予以自動校正者。

   第30頁 314386.ptd