有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法以及机器人装置

摘要

一种有腿移动式机器人，当施加在它上面的外力或外力矩过高且不能设计脚部动作时将放弃正常行走动作并开始跌倒动作。这时，身体的支承多边形的面积S随时间t的变化量ΔS/Δt最小，且当身体落在地板上时，支承多边形增至最大，以将身体落在地板上时由地板作用在身体上的冲击分散到整个身体上，从而使得对身体的损害减至最小。而且，该有腿移动式机器人能自己从地板姿势例如仰卧姿势或俯卧姿势返回站立姿势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，该机器人有大量的关节自由度，本发明还涉及机器人装置；尤其是，本发明涉及一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，该机器人有包括多个可活动的腿，并有基本站立姿势，本发明还涉及机器人装置。

特别是，本发明涉及一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，其中，ZMP(零力矩点)用作姿势稳定性确定标准，以控制躯体在运动过程中的位置以及使躯体稳定，尤其是，本发明涉及一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，其中，通过在跌倒(倒下)或下落过程中对整个躯体进行动作控制，从而尽可能地减小否则将对该机器人产生的损害，且通过利用相对较低力矩的稳定运动，使得(机器人)从在地面上的姿势例如仰卧姿势或俯卧姿势恢复到站立姿势，本发明还涉及机器人装置。

背景技术

利用机械或磁作用而进行类似人体动作的运动的机械装置称为“机器人”。据说词“机器人(robot)”起源于斯拉夫语的词“ROBOTA”(从动机)。在日本，机器人在二十世纪六十年代末期开始流行。不过，它们的大部分是工业机器人，例如机械手或运输机器人，在工厂中用于实现生产的自动化和无人化。

近年来，已经进行了关于有腿移动式机器人的研究和发展，且预计实际使用的有腿移动式机器人在不断增加，该有腿机器人例如宠物类型机器人，它们模仿进行四脚行走的动物(例如狗或猫)的身体机构和动作，或者称为“类似人”或“人形”的机器人(人形机器人)，它们设计成模拟进行两足直立行走的动物(例如人)的身体机构和动作。

对称为类似人或人形的机器人的、双足运动类型的有腿移动式机器人进行研究和开发的意义，可以从以下两个观点来领会。

其中一点是人文科学观点。特别是，开始行走的人的自然运动的机理可以在工程意义上通过以下方法来阐明，即制造具有类似于人体的下肢和/或上肢的结构的机器人，且该机器人的控制方法设计成模拟人类的行走动作。预计该研究的结果可以对其它各种研究领域的进步有重要影响，这些研究领域涉及人的运动机理，例如人体工程、康复工程或运动工程。

另一点是用于实际应用的机器人的发展，该机器人作为人类的伙伴，支持人类的生活，也就是，该机器人在每天生活的居住环境和其它各种场所中支持人的活动。上述类型的机器人需要在由各种生活环境的人进行教导的同时学习适应各种不同身份的人以及适应环境的方法。这样，当机器人是“人形”机器人时，也就是当机器人有与人相同的形状或相同的结构时，考虑使机器人能够在人类和机器人之间进行有效的顺畅的沟通。

例如，当试图实际向机器人教导一种穿过房间同时绕过它必须让开的障碍物的方法(作为教导目标的机器人是双足运动机器人，有与用户(操作人员)类似的外形)时，用户将更容易教导该机器人，且该机器人也比结构与用户完全不同的机器人更容易学习，这些与用户完全不同的机器人例如履带式机器人或四腿机器人(例如参考TAKANISHI的“Control of BipedalLocomotion Robot”，日本汽车工程师协会(Koso)的Kanto Branch，No.25，1996年，APRIL)。

对于通过双足活动而进行腿的运动的机器人的姿势控制或稳定行走的技术，已经有大量的方案。这里，稳定“行走”可以定义为“通过使用腿而在不跌倒的情况下运行”。

为了防止机器人跌倒，机器人的姿势稳定控制非常重要。这是因为机器人的跌倒意味着将打断正在进行的工作，并需要大量的人工和时间来使机器人从跌倒状态变成竖直站立并重新开始工作。重要的是，跌倒可能对机器人自身造成严重损害，或者还将损坏该跌倒的机器人所碰撞的物体。因此，在有腿移动式机器人的研究和发展中，在行走或腿的其它任何操作中，姿势稳定控制被认为是一个最重要的技术目标。

当机器人行走时，重力和惯性力以及由重力引起的力矩和由行走运动产生的加速度将从机器人的行走系统作用在路面上。根据“d’Alembert原理”，它们与从路面作用到行走系统上的地面反作用力和地面反作用力力矩平衡。根据力学原理，俯仰轴力矩和滚转力矩为零处的点(也就是“ZMP(零力矩点)”)在由脚底和路面的着地点(接触点)形成的支承多边形的边上或内部。

涉及有腿移动式机器人的姿势稳定控制以及防止在行走时跌倒的大部分方案利用ZMP作为确定行走的稳定性的准则。基于ZMP准则产生的双足运动模式优选是使脚底的着地点可以预先设置，且很容易考虑根据路面形状的脚底运动约束条件。而且，采用ZMP作为稳定性判断准则并不意味着不处理力，而是将轨迹作为动作控制的目标值，因此，它在技术上增加了可行性。应当知道，在Miomir Vukobratovi’c，“LEGGED LOCOMOTIONROBOTS”(Ichiro KATO等，“Walking Robot and Artificial Feet”，NikkanKogyo Shimbun，Ltd.)中公开了ZMP的概念以及将该ZMP用于稳定性判断准则。

一般情况下，双足运动机器人例如人形的机器人与四脚行走机器人相比重心位置更高，且在行走时的ZMP稳定区域更窄。因此，由各种路面条件引起的姿势变化问题对于双足运动机器人特别重要。

已有多个方案利用ZMP作为双足运动机器人的姿势稳定性判断准则。

例如，日本特开平5-305579中公开的一种有腿移动式机器人通过使ZMP为零时在地面上的点与目标值重合而进行稳定行走。

同时，日本特开平5-305581中公开的另一种有腿移动式机器人设置成使ZMP位于支承多面体(多边形)的内部，或者在着地或离地时使ZMP位于离支承多边形的端部有至少预定余量的位置处。这时，即使有腿移动式机器人受到某些扰动，它也有预定距离的ZMP余量，因此提高躯体在行走时的稳定性。

另外，日本特开平5-305583公开了有腿移动式机器人的行走速度根据ZMP目标位置来控制。特别是，使用预先设定的行走模式数据，驱动腿部关节，这样，ZMP可以与目标位置重合，且检测躯体上部的倾斜度，并根据该检测值改变设定行走模式数据的排出率(discharging rate)。当机器人在未知的凹形或凸形地点行走并向前倾斜时，它的姿势可以通过提高排出率而恢复。而且，因为ZMP控制为目标位置，因此，即使在双支承情况下改变排出率时也没有问题。

日本特开平5-305585公开了根据ZMP目标位置来控制有腿移动式机器人的着地位置。特别是，在所述专利文献中所述的有腿移动式机器人检测ZMP目标位置和实际测量位置之间的距离，并驱动一个或两个腿部，从而可以消除该距离。或者有腿移动式机器人检测环绕ZMP目标位置的力矩，并驱动腿部，从而可以使该力矩减为零。因此，该有腿移动式机器人可以稳定地行走。

日本特开平5-305586公开了根据ZMP目标位置来控制有腿移动式机器人的倾斜姿势。特别是，检测环绕ZMP目标位置的力矩，且当出现力矩时驱动腿部，因此可以使力矩减至零，从而稳定地行走。

采用ZMP作为稳定性判断准则的机器人的姿势稳定控制，基本在于试图使力矩为零的点处在由脚底和路面的着地点形成的支承多边形的边上或者该多边形内部。

如上所述，对于有腿移动式机器人，试图采取引入ZMP作为姿势稳定准则这样的措施来防止机器人在行走过程中或者执行其它动作过程中跌倒。

自然，机器人的跌倒状态意味着将打断正在进行的工作，并需要大量的人工和时间来使机器人从跌倒状态变成竖直站立并重新开始工作。而且，重要的是，跌倒可能对机器人自身造成严重损害，或者还将损坏该跌倒的机器人所碰撞的物体。

尽管可以更好地进行姿势稳定控制以防止机器人跌倒，但是该机器人仍然可能由于在控制中的某些缺陷而失去姿势的稳定性，某些不可预测的外部因素(例如与其它物体的意外碰撞、路面情况例如在地面上的凸起或凹坑、出现的障碍物等)达到使该机器人不能只通过它的活动腿来支承的程度时，也将导致跌倒。

特别是，对于用腿进行双足行走的机器人例如人形机器人，因为重心的位置较高，且该机器人的竖直站立静止状态本身就不稳定，因此该机器人很可能跌倒。当机器人跌倒时，可能对机器人自身造成严重损害，或者将损坏该机器人跌倒时碰撞的物品。

例如日本特开平11-48170公开了一种用于有腿移动式机器人的控制装置，通过该控制装置，当该有腿移动式机器人处于看起来要跌倒的位置时，将尽可能减小由于跌倒而对该机器人造成的损害，或者减小对该机器人在跌倒时可能碰撞的物品的损害。

不过，该专利文献只提出控制成使机器人的重心在将跌倒时降低，但是没有讨论为了在机器人实际跌倒时使可能的损害减至最小而应当对整个身体(不仅包括腿部，还包括躯体和臂部)进行操作的方式。

对于竖直站立行走类型的有腿移动式机器人，当考虑进行身体运动例如行走时，所参考的姿势是机器人利用两脚竖直站立时的姿势。例如，当机器人在各种站立姿势中处于最稳定时的状态(也就是当不稳定性最小时的点)可以作为基本站立姿势。

如上述的基本站立姿势需要通过用于腿部等的关节轴向马达执行姿势稳定控制和控制指令来产生力矩。换句话说，在无功率供给状态下，站立姿势不能稳定。因此，优选是考虑使机器人从在地面上的姿势来开始驱动，当处于在地面上的姿势时，该机器人在物理上最稳定，在地面上的姿势例如仰卧姿势或俯卧姿势。

不过，即使可以将功率供给处于如上述在地面上的姿势的机器人，但是如果机器人不能独立站起来，那么操作人员必须用手来提升该机器人身体，这使得操作人员不方便。

而且，当机器人采取站立姿势并进行行走或者进行其它独立的腿操作时，它基本在不跌倒的情况下用腿来进行运行。不过，该机器人有时可能不幸跌倒。当机器人在具有各种障碍物和不可预测情况的人类居住环境中工作时，必然会“跌倒”。首先，人们也可能跌倒。还有，在这种情况下，当操作人员必须用手来提升机器人身体时将很不方便。

如果机器人在每次采取在地面上的姿势时都不能自己站起来，那么它根本不能在无人环境中工作，且不能自己完成工作。因此，该机器人不能置于完全独立的环境中。

发明内容

本发明的目的是提供一种超级有腿移动式机器人以及一种用于有腿移动式机器人的超级跌倒动作(倒下动作)控制方法，因此，通过在跌倒和跌落过程中控制整个身体(不仅包括腿部，还包括躯体和臂部)，从而尽可能减小在其它情况下可能对机器人造成的损害。

本发明的另一目的是提供一种用于有腿移动式机器人的超级动作控制装置和动作控制方法以及超级机器人装置，通过它们，机器人可以独立地从地面上的姿势例如仰卧姿势或俯卧姿势恢复到它的站立姿势。

本发明的还一目的是提供一种用于有腿移动式机器人的超级动作控制装置和动作控制方法以及超级机器人装置，通过它们，机器人可以通过具有相对较低力矩的稳定动作而从在地面上的姿势例如仰卧姿势或俯卧姿势恢复到它的站立姿势。

针对上述提出了本发明。根据本发明的第一方面，提供了一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，该有腿移动式机器人包括可运动的腿，并可在站立姿势下进行腿操作，其特征在于：

该有腿移动式机器人有多个位置或状态，且

该动作控制装置或方法包括：

第一装置或第一步骤，用于计算由有腿移动式机器人的身体的着地点(与地板的接触点)和地板形成的支承多边形的面积S；

第二装置或第二步骤，用于计算支承多边形的面积S随每时间Δt的变化ΔS/Δt；以及

第三装置或第三步骤，用于在根据支承多边形的面积S或该面积S的变化率ΔS/Δt而在要改变位置或状态时确定身体的动作。

在很多有腿移动式机器人中，ZMP用作稳定性判断准则，因此，可以在特定腿操作例如行走期间保持身体的姿势稳定。通过本发明第一方面的、用于有腿移动式机器人的动作控制装置或动作控制方法，当机器人改变它的姿势或状态时，例如当机器人处于行走或竖直站立状态时或者当机器人在跌倒等之后而从水平躺倒的姿势站起来时，身体的动作模式根据由身体的着地点和地板形成的支承多边形的面积S或者该面积S的变化率ΔS/Δt而连续确定。因此，可以实现跌倒动作或站起来的动作，从而能够在降低负载的情况下更高效的执行这些动作。

这里，第三装置或步骤可以包括：

着地位置寻找装置(用于寻找接触部分的装置)或着地位置寻找步骤(寻找接触部分的步骤)，用于在有腿移动式机器人跌倒时根据由身体的着地点和地板形成的支承多边形的面积S的时间Δt变化来寻找着地位置(部分)；

目标着地点(目标接触点)设置装置或目标着地点设置步骤，用于设置目标着地点，由着地位置寻找装置选择的位置应当在该目标着地点着地(与地板接触)，这样，由身体的着地点和地板形成的支承多边形的面积S随时间Δt的变化ΔS/Δt可以减至最小；以及

位置着地装置，用于着地在由着地部分寻找装置或在着地部分寻找步骤中选定的位置，位于由目标着地点设置装置或在目标着地点设置步骤中设置的目标着地点处。

当有腿移动式机器人在站立姿势执行腿操作时，它通过地板反作用力传感器、布置在(安装在)脚底的加速度传感器或布置在身体的腰部位置的加速度传感器等来检测施加给身体的外力。然后，有腿移动式机器人根据这样检测的外力来建立ZMP平衡等式，以正常设计ZMP轨迹，这样，施加给身体的力矩彼此平衡的ZMP可以布置在由脚底的着地点和地板形成的支承多边形上或内部，从而执行姿势稳定控制。

不过，当由于施加在身体上的外力过高或路面情况不利而使在ZMP平衡等式上的力矩误差不能消除时，有时很难或不能根据ZMP轨迹设计而将ZMP布置在支承多边形中。在这种情况下，本发明的有腿移动式机器人放弃身体的姿势稳定控制，并执行预定的跌倒动作，以减小跌倒在地板上时对身体的损害。

特别是，在跌倒时，有腿移动式机器人寻找使得由身体的着地点和地板形成的支承多边形的面积S随时间Δt的变化ΔS/Δt最小的位置(部分)，并设置使得由身体的着地点和地板形成的支承多边形的面积S随时间Δt的变化ΔS/Δt最小的目标着地点，然后使该位置落在地板上。然后，有腿移动式机器人进一步扩大通过着地而新形成的支承多边形。

然后，有腿移动式机器人重复执行寻找使得变化ΔS/Δt最小的位置和使得变化ΔS/Δt最小的目标着地点位置着地的动作以及扩大新形成的支承多边形的动作，直到身体的势能减至最小，并结束跌倒动作。

当支承多边形的面积S随时间Δt的变化ΔS/Δt最小，且落在地板上时的支承多边形最大时，通过跌落而由地板施加的冲击可以分散的整个身体上，从而使得对身体的损害减至最小。当有腿移动式机器人看成连杆结构，其中多个具有关节自由度的基本平行关节轴纵向彼此连接时，通过将使得非着地(不与地板接触)连杆的数目最大的连杆设置为目标，可以减缓冲击力。

而且，有腿移动式机器人例如可以由连杆结构形成，其中多个具有关节自由度的基本平行关节轴纵向彼此连接，且

第三装置和步骤包括：

用于当有腿移动式机器人从它的跌倒状态返回时从着地多边形(与地板接触)中寻找由最少数目的连杆形成的最窄支承多边形的装置或步骤，在有腿移动式机器人处于地板姿势时，该着地多边形由着地连杆(与地板接触)形成，在有腿移动式机器人地板姿势中，包括位于身体重心的重心连杆的两个或更多连杆落在地板上(与地板接触)；

用于使得除了寻找出的支承多边形的着地连杆之外的着地多边形的着地连杆离地的装置或步骤；

用于使非着地连杆中的两个或更多连续连杆弯曲的装置或步骤，直到端部连杆的端部到达地板上，从而形成更狭窄的着地多边形；以及

用于使位于连杆结构一端侧、数目比第一预定数目多的连杆离地的装置或步骤，以随着支承多边形充分狭窄而使身体竖直站立。

其中，连杆结构至少包括沿身体的高度方向彼此连接的肩关节俯仰轴、躯体俯仰轴、髋关节俯仰轴和膝盖俯仰轴。也就是，有腿移动式机器人的身体可以包括除了它们外的另外关节俯仰轴。而且，各关节位置可以包括环绕与俯仰轴不同的滚转轴和左、右摇摆轴的旋转自由度。

由落在地板上的多个身体端部形成的多边形成为着地多边形。同时，有ZMP的着地多边形成为支承多边形。ZMP的稳定区域是可以在支承多边形中稳定控制姿势，从而稳定控制机器人的区域。

在有腿移动式机器人的基本地板姿势(例如仰卧姿势或俯卧姿势)中，使肩关节俯仰轴、躯体俯仰轴、髋关节俯仰轴和膝盖俯仰轴相互连接的所有连杆都落在地板上。另一方面，在基本站立姿势或行走姿势中，使肩关节俯仰轴、躯体俯仰轴、髋关节俯仰轴和膝盖俯仰轴相互连接的所有连杆都离开地板，并沿基本垂直方向对齐。

当机器人从地板姿势转变成站立姿势而站起来时，与机器人保持普通站立姿势或执行行走动作的情况相比，相关关节促动器需要更高扭矩输出。根据本发明，通过利用使ZMP支承多边形最小的姿势来执行站起来的动作，可以通过更小的驱动扭矩来实现站起来的操作。

首先，在机器人的几乎所有连杆都落在地板上的地板姿势中，从由着地连杆形成的着地多边形中寻找最狭窄的支承多边形。这时，判断当在身体的一端侧的至少两个或更多连杆离开地板时是否可以设计ZMP。

例如，当使躯体俯仰轴和髋关节俯仰轴相互连接的连杆选择作为重心连杆并保持着地连杆(与地板接触)时，寻找更狭窄的支承多边形。确定ZMP的可设计性，将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。然后，试图使一端侧的、包括肩关节俯仰轴的两个或更多连续连杆离地。

然后，在保持形成支承多边形的着地连杆时，在着地多边形的一端侧的两个或更多连续连杆离开地板，然后，该一端侧的一个或多个非着地连杆弯曲，以使该端部连杆的地板着地，以形成更狭窄的着地多边形。

例如，连杆结构一端侧的、包括肩关节的两个或更多连杆作为与支承多边形无关的连杆离开地板。然后，在包括肩关节的两个或更多连杆离开地板的状态下，肩关节俯仰轴弯曲，从而使作为端部连杆的端部的手落在地板上。然后，该手逐渐朝着躯体俯仰轴侧(该躯体俯仰轴侧是身体重心的位置)运动，以形成比初始地板姿势更狭窄的着地多边形。

而且，在着地多边形中，寻找最狭窄的支承多边形。这时，在另一端侧的至少两个或更多连杆离开地板，并判断ZMP是否可设计。判断ZMP的可设计性可以考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。

例如，当使躯体俯仰轴和髋关节俯仰轴相互连接的连杆选择作为重心连杆并保持着地连杆(与地板接触)时，试图使另一端侧的、包括膝关节俯仰轴的两个或更多连续连杆离地。

例如，在保持形成支承多边形的着地连杆时，在着地多边形的另一端侧的两个或更多连续连杆离开地板。然后，该另一端侧的一个或多个非着地连杆弯曲，以使该端部连杆的地板着地，以形成更狭窄的着地多边形。

例如，在包括膝关节的两个或更多连杆离开地板的状态下，膝关节俯仰轴弯曲，从而使作为端部连杆的端部的脚底落在地板上。然后，该脚底逐渐朝着髋关节俯仰轴侧(该髋关节俯仰轴侧是身体重心的位置)运动，以形成比初始地板姿势更狭窄的着地多边形。

然后，判断重心连杆是否能够在着地多边形的相对端部连杆的端部保持着地的状态下离开地板，以判断支承多边形是否充分狭窄。判断重心连杆是否能够离开地板将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。

例如，判断使躯体俯仰轴和髋关节俯仰轴相互连接的重心连杆是否能够在作为着地多边形的相对端连杆的端部的手和脚底保持着地的状态下离开地板，以判断支承多边形是否充分狭窄。

然后，随着身体的支承多边形充分狭窄，重心连杆在支承多边形的相对端连杆的端部保持着地的状态下离开地板，支承多边形的相对端连杆的端部之间的距离减小，同时ZMP保持在由着地连杆形成的支承多边形中并在相对端连杆处，以使ZMP运动至连杆结构的另一端侧。这时，判断ZMP是否能够运动到另一端侧将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。

例如，在作为着地多边形的相对端连杆的端部的手和脚底保持着地状态时，使躯体俯仰轴和髋关节俯仰轴相互连接的重心连杆离开地板，且手和脚底之间的距离逐渐减小，以使ZMP朝着脚底运动。

然后，随着ZMP进入仅由数目第二预定数目少、位于连杆结构另一端的非着地连杆形成的着地多边形中，在ZMP保持处于着地多边形中时，数目第一预定数目多、位于连杆结构一端侧的的连杆离开地板，以沿纵向方向扩展着地多边形，从而完成站起来的动作。

例如，随着ZMP进入由脚底形成的着地多边形内，在ZMP保持处于着地多边形中时，从肩关节俯仰轴到踝关节俯仰轴的连杆离开地板，且这些非着地连杆沿纵向方向伸展，以完成站起来的动作。

当在站起来的最终阶段非着地连杆沿纵向方向伸展时，保证在身体的动作中高效地使用具有相对较大质量操作量的膝关节俯仰轴来执行动作。

应当知道，为了形成更狭窄的着地多边形，当非着地连杆环绕肩关节俯仰轴弯曲，以使作为端部连杆的端部的手落在地板上时，各臂部可以操作成满足以下表达式。应当知道，上臂的长度由l₁表示，前臂的长度由l₂表示，肩滚转角度由α表示，肘俯仰轴角度由β表示，从肩到手的长度由l₁₂表示，由使肩和手相互连接的线所确定的角度由γ表示，肩的高度由h表示。

l₁₂＝l₁cosα+l₂sin(α+β-90)

l₁₂sinγ＜h

特别是，通过使肘俯仰轴执行弯曲运动以代替使肩滚转轴操作，左、右手可以利用身体后面的更小使用体积而着地。

根据与最小支承多边形无关的两个或更多连杆是否能够离开地板，用于产生更狭窄的着地多边形的装置或步骤可以选择利用手部或脚部在地板上的步进变化动作和拖动动作中的一种，以形成更狭窄的着地多边形。

当在连续形成更小的着地多边形的处理中，只利用手部或脚部的步进变化动作时，为了利用步进变化动作，手部或脚部需要离开地板，且必须存在与支承多边形无关的两个或更多连杆。不过，根据身体的姿势，有时不能执行步进变化动作。这时，站起来的动作自身将失败。相反，当利用手部或脚部的拖动动作时，可以减小站起来的动作失败的可能性。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于有腿移动式机器人的动作控制装置和动作控制方法，该有腿移动式机器人包括可运动的腿，并能够在站立姿势下执行腿的操作，它包括：

用于计算在身体跌倒的各阶段向有腿移动式机器人的身体施加的冲击力矩的装置或步骤；

用于计算在跌倒的各阶段从地板向身体施加的冲击力的装置或步骤；

用于计算由身体的着地点(接触点)和地板形成的支承多边形的面积S的装置或步骤；

第一着地位置寻找装置或第一着地位置寻找步骤，用于选择下一着地位置，从而使支承多边形的面积S可以减至最小或固定；以及

第二着地位置寻找装置或第二着地位置寻找步骤，用于选择下一着地位置，从而使支承多边形的面积S可以增加。

这时，通过利用第一着地位置寻找装置使支承多边形的面积S减至最小或固定，可以避开施加给身体的冲击力矩。这时，身体可以前后运动，以使它的支承面运动。同时，通过利用第二着地位置寻找装置选择着地位置，以使支承多边形的面积S可以突然增加，在跌倒时由地板施加给身体的冲击力可以减缓。因此，当由地板施加给身体的冲击力在预定允许值范围内时，身体的跌倒动作将通过第二着地位置寻找装置或步骤来执行，但是当冲击力超出预定允许值范围时，身体的跌倒动作将通过第一着地位置寻找装置或步骤来执行。

根据本发明的第三方面，提供了用于控制关于有腿移动式机器人的身体的跌倒和站起来的一系列动作的动作控制装置或动作控制方法，该有腿移动式机器人避开可运动的腿，并在站立姿势下执行腿的操作，其特征在于：

该有腿移动式机器人由连杆结构形成，其中，多个具有关节自由度的基本平行关节轴沿纵向方向彼此连接；以及

该动作控制装置或方法包括：

用于当地板姿势时，从由着地连杆形成的着地多边形中寻找由最小数目的连杆形成的最狭窄的支承多边形的装置或步骤，其中，当有腿移动式机器人跌倒时，包括位于身体的重心的重心连杆的两个或更多连杆落在地板；

用于将ZMP设置在使与最小支承多边形无关的连杆数目最小时的位置的装置或步骤，以执行跌倒动作；

用于寻找在身体的跌倒位置中能够离开地板的连杆的装置或步骤；以及

用于使能够离开地板的所有连杆都离地的步骤，以执行站起来的动作。

当身体的重心在腰部时，ZMP可以设置在使与最小支承多边形无关的连杆数目最小的位置处。在该跌倒和着地动作后，能够离开地板的所有连杆都离开地板，也就是下肢和躯体升高，以使身体的上部和下肢同时离开地板。然后，脚部、手部等着地。因此，可以以更少的步骤来形成更小的着地多边形。因此，可以以更高速度高效实现站起来的动作。

根据本发明的第三方面，提供了一种机器人装置，该机器人装置有躯体部分、与该躯体部分相连的腿部以及与该躯体部分相连的手部，它包括：

支承多边形检测装置，用于检测当腿部、躯体部分和/或臂部着地时由该腿部、躯体部分和/或臂部的多个端部形成的第一支承多边形；

支承多边形改变装置，用于使腿部朝着躯体部分弯曲，以减小第一支承多边形的面积；

ZMP动作控制装置，用于判断位于改变的第一支承多边形中的ZMP能否运动至由腿部的脚底形成的着地多边形中；以及

控制装置，用于当ZMP动作控制装置判断ZMP能够运动时使ZMP从第一支承多边形内运动至由脚底形成的着地多边形中，并当ZMP保持在着地多边形中时使机器人装置的位置从跌倒位置变化成基本姿势。

根据本发明的第四方面，提供了一种有腿移动式机器人，该有腿移动式机器人至少包括：身体；一个或多个臂连杆，该臂连杆分别通过第一关节(肩)与身体的上部连接；第一腿连杆，该第一腿连杆通过第二关节(髋关节)与身体的底部连接；第二腿连杆，该第二腿连杆通过第三关节(膝)与第一腿连杆的端部连接，该有腿移动式机器人包括：

用于使臂连杆的端部和在第二腿连杆端头的头部着地，以形成第一支承多边形；

用于在臂连杆的端头和脚部保持着地时使得沿垂直于地板的方向比第三关节更高的第二关节向上运动的装置，从而减小第一支承多边形的面积，并使ZMP运动至由脚部形成的着地多边形中；以及

用于当ZMP保持在由脚部形成的着地多边形中时使机器人装置的身体竖直站立的装置。

通过本发明的机器人装置，身体能够从跌倒位置返回站立姿势，同时减小支承多边形的面积。因此，用于腿部等的关节促动器能够通过相对较低扭矩执行站起来的动作。

通过下面基于本发明实施例和附图的说明，可以清楚本发明的上述和其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是表示采用了本发明的有腿移动式机器人处于竖直站立状态时从斜前方看的示意图；

图2是表示采用了本发明的有腿移动式机器人处于竖直站立状态时从斜后方看的透视图；

图3是表示有腿移动式机器人的关节自由度结构的示意图；

图4是示意表示有腿移动式机器人100的基本控制系统的视图；

图5是表示有腿移动式机器人100的运动系统转变的基本状态的视图；

图6是表示有腿移动式机器人100的基本仰卧姿势的视图；

图7是表示有腿移动式机器人100的基本俯卧姿势的视图；

图8是表示有腿移动式机器人100的基本站立姿势的视图；

图9是表示有腿移动式机器人100的基本行走姿势的视图；

图10是表示有腿移动式机器人100的多质点近似模型的示意图；

图11是表示腰部周围部分的多质点近似模型的放大图；

图12是表示产生身体运动的处理步骤的流程图，通过该处理步骤，有腿移动式机器人100可以稳定行走；

图13是表示当有腿移动式机器人100进行腿操作时用于身体的动作控制的总体处理步骤的流程图；

图14是表示当身体跌倒时保持支承面积的原理示意图；

图15是表示当身体跌落到地面上时支承多边形变得最大的原理示意图；

图16是表示当有腿移动式机器人100向后跌倒成仰卧姿势时保持跌倒时的支承面积的动作的视图；

图17是表示当有腿移动式机器人100向后跌倒成仰卧姿势时保持跌倒时的支承面积的动作的视图；

图18是表示当有腿移动式机器人100向前跌倒成俯卧姿势时保持跌倒时的支承面积的动作的视图；

图19是表示当有腿移动式机器人100向前跌倒成俯卧姿势时保持跌倒时的支承面积的动作的视图；

图20是表示根据本实施例的有腿移动式机器人100因为腿部意外的情况而执行跌倒动作时的处理步骤的流程图；

图21是表示有腿移动式机器人100在通过关节俯仰轴的同步配合驱动而跌倒成仰卧姿势时的动作的视图，其中，该有腿移动式机器人是作为连杆结构的模型，它包括沿垂直方向连接的多个基本平行的轴，例如肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝关节俯仰轴14；

图22至38是表示有腿移动式机器人100从它的站立姿势跌倒成仰卧姿势的方式的侧视图；

图39至55是表示有腿移动式机器人100从它的站立姿势跌倒成仰卧姿势的方式的透视图；

图56是表示有腿移动式机器人100在通过关节俯仰轴的同步配合驱动而跌倒成俯卧姿势时的动作的视图，其中，该有腿移动式机器人是作为连杆结构的模型，它包括沿垂直方向连接的多个基本平行的轴，例如肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝关节俯仰轴14；

图57至73是表示有腿移动式机器人100从它的站立姿势跌倒成俯卧姿势的方式的侧视图；

图74至90是表示有腿移动式机器人100从它的站立姿势跌倒成俯卧姿势的方式的透视图；

图91是表示当本发明实施例的有腿移动式机器人100通过肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝关节俯仰轴14的同步配合驱动而执行站起来的动作的处理步骤的流程图；

图92是以关节连杆模型形式表示当本发明实施例的有腿移动式机器人100通过肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝关节俯仰轴14的同步配合驱动而执行从它的仰卧姿势站起来的动作的方式的视图；

图93是表示不包括躯体俯仰轴的有腿移动式机器人通过多个关节俯仰轴的同步驱动而执行从它的仰卧姿势站起来的动作的方式的视图；

图94至111是表示有腿移动式机器人100从它的基本仰卧姿势站起来的方式的侧视图；

图112至129是表示有腿移动式机器人100从它的基本仰卧姿势站起来的方式的透视图；

图130是左、右手与身体后面的地板接触时的一系列动作的变化视图；

图131是左、右手与身体后面的地板接触时的一系列动作的变化的视图；

图132是表示图130和131中所示的臂的动作的视图；

图133是表示图92中所示的有腿移动式机器人的视图，但是为概括形式，其中它由连杆机构代替；

图134是以关节连杆模型形式表示当本发明实施例的有腿移动式机器人100通过肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝关节俯仰轴14的同步配合驱动而执行从它的俯卧姿势站起来的动作的方式的视图；

图135是表示有腿移动式机器人100从它的基本俯卧姿势站起来的方式的侧视图；

图136至153是表示有腿移动式机器人100从它的基本俯卧姿势站起来的方式的侧视图；

图154至172是表示有腿移动式机器人100从它的基本俯卧姿势站起来的方式的透视图；

图173是判断是否获得充分的狭窄支承多边形的处理步骤的流程图；

图174是表示利用手部和脚部的拖曳动作和脚步改变动作进行站起来的操作的流程图；

图175至191是表示有腿移动式机器人100利用手部和脚部的拖曳动作和脚步改变动作而从它的基本俯卧姿势站起来的方式的侧视图；

图192至198是表示当在跌倒动作之后接着执行站起来的动作时身体的一系列动作的视图；以及

图199是表示用于寻找当与最小支承多边形无关的连杆数目最大时的连杆和连杆位置的处理步骤的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图详细介绍本发明的实施例。

A.有腿移动式机器人的机械结构

下面参考图1和2，采用本发明的“类似人”或“人形”的有腿移动式机器人100表示为当竖直站立时，分别从斜前方和斜后方看的视图。如图1和2所示，有腿移动式机器人100包括身体部分、头部、左、右上肢部分以及用于进行腿的运行的左、右下肢部分。控制部分(未示出)例如布置在身体部分内，并总体控制身体的动作。

左、右下肢部分分别包括大腿区域、膝关节、胫骨部分、踝以及脚，并通过髋关节连接在躯体部分的基本最底端。同时，左、右上肢部分分别包括上臂、肘关节和前臂，并通过肩关节与躯体部分的上部的左、右侧边缘连接。而且，头部通过颈关节与躯体部分的基本最上端的中间部分连接。

控制部分包括壳体，控制器(主控制部分)、电源线和其它外围装置装于该壳体中，该控制器用于控制驱动有腿移动式机器人的各个关节促动器，并处理来自各个传感器(下面将介绍)和类似元件的外部输入。控制部分可以另外包括通信界面或通信装置，用于进行遥控。

具有上述结构的有腿移动式机器人可以通过由控制部分控制的整体配合动作来进行双足运动。如上述的双足运动通常通过重复进行分成以下动作阶段的行走循环来执行。特别是，

(1)单足支承阶段，其中，有腿移动式机器人在右腿升高的情况下利用左腿行走；

(2)双足支承阶段，其中，右腿与地面接触；

(3)另一单足支承阶段，其中，有腿移动式机器人在左腿升高的情况下利用右腿行走；

(4)另一双足支承阶段，其中，左腿与地面接触。

有腿移动式机器人100的行走控制通过预先设计各下肢的目标轨迹以及在上述各个阶段校正该设计轨迹而实现。特别是，在各双足支承阶段，下肢轨迹的校正停止，并利用设计轨迹的总校正量将腰部的高度校正为固定值。另一方面，在各单足支承阶段，产生校正轨迹，这样，在进行校正的腿的踝和腰部之间的相对位置关系返回到设计轨迹。

为了从行走动作的轨迹校正开始稳定控制身体的姿势，通常采用使用五维多项式的内插计算，这样，位置、速度以及用于使相对于目标ZMP(零力矩点)的偏移最小的加速度可以连续。ZMP用作判断行走的稳定性的准则。通过ZMP的稳定性判断准则基于“d′Alembert原理”，即从机器人的行走系统作用在路面上的重力和惯性力以及它们的力矩将与从路面作用到行走系统上的地面反作用力和地面反作用力力矩平衡。根据力学原理，俯仰轴力矩和滚转力矩为零处的点(也就是“ZMP”)在由脚底和路面的着地点形成的支承多边形(也就是ZMP稳定区域)的边上或内部。

图3示意表示了有腿移动式机器人100的关节自由度结构。如图3所示，该有腿移动式机器人100结构有多个肢，包括：上肢，该上肢包括两个臂部和头部；下肢，该下肢包括用于实现运行运动的两个腿部和用于使上肢和下肢相互连接的躯体部分。

用于支承头部的颈关节(颈)有4个自由度，包括颈关节左、右摇摆轴1、第一和第二颈关节俯仰轴2A和2B、以及颈关节滚转轴3。

同时，各臂部包括作为它的自由度的：肩的肩关节俯仰轴4、肩关节滚转轴5、上臂左、右摇摆轴6、肘的肘关节俯仰轴7、腕的腕关节左、右摇摆轴8以及手部。该手部实际上是包括多个手指的多关节、多自由度结构。

另一方面，躯体部分(躯体)有2自由度，包括躯体俯仰轴9和躯体滚转轴10。

形成下肢的腿部别包括：髋关节(臀部)的髋关节左、右摇摆轴11、髋关节俯仰轴12和髋关节滚转轴13；膝盖的膝关节俯仰轴14；踝的踝关节俯仰轴15和踝关节滚转轴16；以及脚部。

应当知道，用于娱乐的有腿移动式机器人100并不需要有上述所有自由度，也并不是只能有上述自由度。当然，根据设计或制造的限制条件或所需规格，可以合适增加或减少自由度，也就是关节的数目。

具有上述结构的有腿移动式机器人100的自由度实际上利用促动器实现。优选是，该促动器的尺寸小且重量轻，因为该有腿移动式机器人通过除去外表的多余隆起部分而类似人类的自然形状，并对进行双足运动的不稳定结构进行姿势控制。在本实施例中包括了直接齿轮啮合类型的小尺寸AC伺服促动器，且在该伺服促动器中，伺服控制系统形成为单个芯片，并安装在马达单元中(上述类型的AC伺服促动器例如在日本特开2000-299970中公开，该专利已经转让给本申请的申请人)。在本实施例中，低速减速齿轮用作直接齿轮传动机构，以获得该类型机器人所需的驱动系统的从动特征，对于该机器人，重要的是与人进行身体的相互作用。

B.有腿移动式机器人的控制系统结构

图4示意表示了有腿移动式机器人100的控制系统结构。参考图4，有腿移动式机器人100包括：机械单元30、40、50R/L和60R/L，它们代表人的肢体；以及控制单元80，该控制单元80进行合适控制，以实现机械单元的配合运动(应当知道，参考符号R和L作为后缀添加，用于表示右侧和左侧之间的区别。这同样用于下面的说明书中)。

整个有腿移动式机器人100的运动总体由控制单元80控制。该控制单元80包括：主控制部分81，该主控制部分81由主电路部件(未示出)例如CPU(中心处理单元)和存储器形成；以及外设电路82，该外设电路包括供电电路、用于向有腿移动式机器人100的部件传送数据和指令以及从该部件接收数据和指令的界面(都未示出)、以及其它所需元件。

当实施本发明时，控制单元80的位置并不特别限制。尽管在图4中控制单元80装于躯体部分单元40中，但是它也可以装于头部单元30中。也可选择，控制单元可以位于有腿移动式机器人100的外面，并通过有线或无线通讯装置而与有腿移动式机器人100的身体连通。

图3中所示的有腿移动式机器人100的各关节自由度通过各个相应促动器实现。特别是，头部单元30中布置有颈关节左、右摇摆轴促动器A₁、第一和第二颈关节俯仰轴促动器A_2A和A_2B以及颈关节滚转轴促动器A₃，它们分别代表颈关节左、右摇摆轴1、第一和第二颈关节俯仰轴2A和2B以及颈关节滚转轴3。

躯体部分单元40中布置有躯体俯仰轴促动器A₉和躯体滚转轴促动器A₁₀，它们分别代表躯体俯仰轴9和躯体滚转轴10。

臂部单元50R/L分别细分成上臂单元51R/L、肘关节单元52R/L和前臂单元53R/L。各臂部单元50R/L中布置有肩关节俯仰轴促动器A4、肩关节滚转轴促动器A5、上臂左、右摇摆轴促动器A6、肘关节俯仰轴促动器A7和腕关节左、右摇摆轴促动器A8，它们分别代表肩关节俯仰轴4、肩关节滚转轴5、上臂左、右摇摆轴6、肘关节俯仰轴7和腕关节左、右摇摆轴促动器8。

腿部单元60R/L分别细分成大腿区域单元61R/L、膝盖单元62R/L和踝部单元63R/L。各腿部单元60R/L中布置有髋关节左、右摇摆轴促动器A₁₁、髋关节俯仰轴促动器A₁₂、髋关节滚转轴促动器A₁₃、膝关节俯仰轴促动器A₁₄、踝关节俯仰轴促动器A₁₅和踝关节滚转轴促动器A₁₆，它们分别代表髋关节左、右摇摆轴11、髋关节俯仰轴12、髋关节滚转轴13、膝关节俯仰轴14、踝关节俯仰轴15和踝关节滚转轴16。

用于各关节的促动器A₁、A₂、A₃...可以由小尺寸AC伺服促动器(如上述)形成，该AC伺服促动器优选是之间齿轮啮合类型，且在该伺服促动器中，伺服控制系统形成为单个芯片，并安装在马达单元中。

用于促动器驱动控制的子控制部分35、45、55和65分别用于各机械单元，例如头部单元30、躯体部分单元40、臂部单元50和腿部单元60。

加速度促动器95和姿势传感器96布置在身体的躯体部分单元40上。该加速度传感器95沿X、Y和Z轴方向布置。其中，加速度传感器95布置在身体的腰部，可以将腰部(该腰部有很大的质量操作量)作为控制目标点，并直接测量该腰部位置处的姿势或加速度，以根据ZMP进行姿势稳定控制。

同时，着地确认传感器91和92以及加速度传感器93和94分别布置在右、左腿部单元60R和60L上。着地确认传感器91和92例如由安装在脚底上的压力传感器形成，并能够根据是否有地板反作用力而分别检测该脚底是否与地面接触。同时，加速度传感器93和94至少沿X和Y轴方向布置。通过将加速度传感器93和94布置在左、右脚部上，可以通过最接近ZMP位置的那一个脚部直接建立ZMP等式。

当只在具有较大质量操作量的腰部处布置加速度传感器时，只有腰部设置为控制目标点，且各腿部的状态必须根据控制目标点的计算结果来相对计算。这样，前提条件是在脚部和地面之间满足以下条件：

(1)不管怎样的力或力矩作用在地面上，该地面都不运动。

(2)路面防止平动的摩擦系数足够高，且不允许滑动。

相反，在本实施例中，用于直接检测ZMP和力的反作用力传感器系统(地板反作用力传感器等)布置在作为与地面接触部分的脚部上，且用于直接测量坐标的局部坐标系和加速度传感器布置在脚部上。因此，可以在最靠近ZMP位置的腿部直接建立ZMP等式，并可以高速形成不依赖于上述前提条件的、更严格的姿势稳定控制。因此，也能够保证身体在沙地或厚地毯上或者在房屋的铺瓷砖地点上稳定行走(运动)，在该沙地或厚地毯上，当力或力矩作用在路面上时该路面将运动，而在铺瓷砖地点上可能产生滑动，因为不能保证防止平动的摩擦系数足够大。

控制单元80可以根据传感器91至96的输出动态校正控制目标。特别是，控制单元80合适控制各子控制部分35、45、55和65，以实现总体运动模式，其中，有腿移动式机器人100的上肢、躯体和下肢配合驱动。

对于机器人100的身体的总体运动，设置脚部运动、ZMP(零力矩点)轨迹、躯体运动、上肢运动和腰部高度，并将根据设置内容指示动作的指令传送给子控制部分35、45、55和65。各子控制部分35、45、...解释从主控制部分81接收的指令，并向促动器A₁、A₂、A₃...输出驱动控制信号。这里，“ZMP”定义为在地板上的、在行走过程中地板反作用力的力矩为零的点，且“ZMP轨迹”的意思是ZMP运动的轨迹，例如在机器人的行走动作期间。

C.有腿移动式机器人的运动系统基本状态转变

本发明的有腿移动式机器人100的控制系统定义了多个基本姿势。各基本姿势的确定考虑了身体的稳定性、能量消耗以及向下一个状态的过渡，身体运动能够通过基本姿势之间的转变而高效控制。

图5表示了本发明的有腿移动式机器人100的运动系统的基本状态转变。参考图5，对于有腿移动式机器人，考虑到身体的稳定性、能量消耗以及当机器人面向上躺着、站立、准备行走、就坐和面向下躺着时向下一个状态的过渡，定义了基本仰卧姿势、基本站立姿势、基本行走姿势、基本就坐姿势和基本俯卧姿势。

这些基本姿势布置在身体的动作控制程序平台上。而且，当有腿移动式机器人处于站立姿势等时，它利用总体运动来执行各种动作，例如行走、跳跃或舞蹈，且用于它们的装置控制程序布置成用于在该平台上操作。应用程序从外部存储器合适装载，并由主控制部分81执行。

图6表示了有腿移动式机器人100的基本仰卧姿势。在本实施例中，当可以向身体供电时，有腿移动式机器人100采取基本仰卧姿势，并可以从它在动力学上最稳定的、不可能发生跌倒(跌落)等的状态开始驱动。而且，不仅在驱动时，而且在系统操作终止时，有腿移动式机器人也返回到该基本仰卧姿势。这样，因为有腿移动式机器人100从在动力学上身体最稳定的状态开始操作，并使它的操作终止于最稳定的状态，因此，该有腿移动式机器人的动作操作可以自己完成。

自然，当身体跌倒时，如果通过在地板上进行的预定动作恢复到基本仰卧姿势之后执行规定的站立动作，那么通过基本站立姿势可以恢复在中断操作时的初始姿势。

而且，本发明的有腿移动式机器人100包括如图7所示的基本俯卧姿势，它作为在地板上的一种基本姿势。基本俯卧姿势是当在动力学上身体最稳定时的状态，与基本仰卧姿势类似，并能够在供电中断时的无力状态下稳定地保持该姿势。例如，当在腿的操作过程中由于无意中受到的外力而使身体跌倒时，因为不知道它跌倒成仰卧姿势还是俯卧姿势，因此，在本实施例中，这样定义了在地板上的两种不同的基本姿势。

有腿移动式机器人100可以通过各种地板姿势而在基本仰卧姿势和基本俯卧姿势之间可逆地改变它的姿势。反过来说，有腿移动式机器人100可以根据基本仰卧姿势和基本俯卧姿势而平稳地将其姿势改变成各种地板姿势。

基本仰卧姿势是在动力学上最稳定的基本姿势。不过，当考虑到腿的操作时，不能从基本仰卧姿势开始进行平稳的状态转变。因此，定义了如图8所示的基本站立姿势。当定义了基本站立姿势时，该有腿移动式机器人100可以平稳进行后面的腿操作。

在各种站立姿势中，基本站立姿势是最稳定的状态，在该姿势中，用于姿势稳定控制的计算机负载以及功率消耗将最低或最小。在该基本站立姿势中，膝盖伸直，以使保持竖直站立状态的马达力矩减至最小。有腿移动式机器人100可以使它的姿势平稳地从基本站立姿势转变成各种站立姿势，例如以进行利用上肢的舞蹈动作。

另一方面，尽管基本站立姿势具有很好的姿势稳定性，但是，它并不是能够立即进入腿的操作例如行走操作的最佳状态。因此，本实施例的有腿移动式机器人定义了通过腿处于站立状态时的另一基本姿势，该基本行走姿势如图9所示。

当有腿移动式机器人处于它的基本站立姿势时，驱动用于髋关节、膝关节和踝关节的俯仰轴12、14和15，从而使有腿移动式机器人可以为这样的姿势，其中，身体的重心位置稍微降低，从而进入基本行走姿势。该基本行走姿势能够平稳转变成各种腿的动作，从而开始普通的行走动作。不过，因为膝盖弯曲，也需要很多用于保持该姿势的附加力矩，因此，与基本站立姿势相比，基本行走姿势需要更大的功率消耗。

在基本站立姿势中，身体的ZMP位置在ZMP稳定区域的中心附近，膝盖的弯曲角很小，能量消耗较低。相反，在基本行走姿势中，尽管ZMP位置处于稳定区域附近，但是膝盖的弯曲角相对较大，从而保证对路面和外力有很高的适应性。

而且，在本实施例的有腿移动式机器人100中，定义了基本就坐姿势。该基本就坐姿势(未示出)定义为这样的姿势，其中，当有腿移动式机器人100坐在预定的椅子上时，用于姿势稳定控制的计算机负载以及功率消耗最低或最小。有腿移动式机器人100可以从上述基本仰卧姿势、基本俯卧姿势和基本站立姿势可逆地改变成基本姿势。而且，有腿移动式机器人100可以平稳地将它的姿势从基本就坐姿势或基本站立姿势改变成各种就坐姿势，其中，例如它可以只利用身体的手部来执行各种动作。

D.有腿移动式机器人的姿势稳定控制

下面介绍本实施例的有腿移动式机器人100在腿操作中的姿势稳定控制的步骤，也就是，有腿移动式机器人100在执行总体配合运动(包括脚部、腕、躯体和下肢的运动)时的姿势稳定控制的步骤。

根据本实施例的姿势稳定控制利用ZMP进行姿势稳定控制。将ZMP用作稳定性判断准则的机器人的姿势稳定控制在于使得力矩为零时的点在由脚底和路面的着地点形成的支承多边形的边上或内部。特别是，导出说明施加在机器人身体上的各个力矩的平衡关系的等式，并校正该身体的目标轨迹，从而消除在ZMP等式上出现的力矩误差。

在本实施例中，作为在机器人身体上的控制目标点，质量操作量最大的位置(部分)例如腰部设置为局部坐标系原点。然后，测量元件例如加速度传感器布置在该控制目标点处，以直接测量在该位置的姿势或加速度，从而根据ZMP进行姿势稳定控制。而且，加速度传感器布置在作为与路面接触的接触部分的各腿部上，以直接测量用于控制的局部坐标系以及该局部坐标系的坐标，且在最靠近ZMP位置的脚部直接产生ZMP等式。

D-1导出ZMP等式

本实施例的有腿移动式机器人100是无限质点集合体，也就是连续质点集合体。不过，这里将有腿移动式机器人100代替成由有限数目的离散质点形成的近似模型，以减小稳定处理的计算量。特别是，有如图3所示的多个关节自由度结构的有腿移动式机器人100在物理上代替成如图10所示的多质点近似模型，并进行处理。所示近似模型是线性且非相互作用多质点近似模型。

参考图10，O-XYZ坐标系表示绝对坐标系的滚转轴、俯仰轴和左、右摇摆轴，而O′-X′Y′Z′坐标系表示与该机器人100一起运动的运动坐标系的滚转轴、俯仰轴和左、右摇摆轴。不过，图10中的参数有下面的意思。而且，应当知道，具有标记′的各参考符号表示运动坐标系。

m_h：腰部质点的质量

$>>>ver>>r>\to >>\prime >>h>>>(>>>r>\prime >>hx>>,>>>r>\prime >>hy>>,>>>r>\prime >>hz>>)>>:>>$在腰部质点处的位置矢量

m_i：在第i质点处的质量

在第i质点处的位置矢量

ZMP的位置矢量

$>ver>>g>\to >>>(>>g>x>>,>>g>y>>,>>g>z>>)>>:>>$重力加速度矢量

O′-X′Y′Z′：运动坐标系(与机器人一起运动)

O-XYZ：绝对坐标系

在图10所示的多质点模型中，i是下标，表示第i个的质点；m_i表示第i个质点的质量，而r′_i表示第i个质点的位置矢量(在运动坐标系上)。本实施例的有腿移动式机器人100的身体的重心在腰部附近。换句话说，腰部是质量操作量最大的质点，且在图10中，质量由m_h表示，它的位置矢量(在运动坐标系上)由r′_h(r′_hx，r′_hy，r′_hz)表示。而且，身体的ZMP的位置矢量(在运动坐标系上)由r′_zmp(r′_zmpx，r′_zmpy，r′_zmpz)表示。

世界坐标系O-XYZ是绝对坐标系，并为不变的。在本实施例的有腿移动式机器人100中，加速度传感器93、94和96布置在腰部和腿的脚部，且腰部和腿部以及完全坐标系的相对位置矢量r_q直接由传感器的输出来检测。另一方面，运动坐标系，也就是身体的局部坐标系O-X′Y′Z′与该机器人一起运动。

多质点模型是以线架模型形式表示机器人。如图10所示，在多质点模型中，两个肩、两个肘、两个腕、躯体、腰部和两个踝分别设置成质点。在图10所示的非精确多质点近似模型中，力矩表达式为线性等式形式，该力矩表达式并不与俯仰轴和滚转轴相互作用。多质点近似模型大致可以根据以下处理步骤产生。

(1)确定整个有腿移动式机器人100的质量分布。

(2)设置质点。质量的设置方法可以是由设计人员人工输入和根据预定规则自动生成。

(3)确定各区域i的重心，且对于相关质量提供重心的位置和质量m_i。

(4)各质点m_i表示为中心在质点位置r_i且半径与质量成正比增加的球。

(5)将实际上有连接关系的质点或球彼此连接。

应当知道，在图10所示的多质点模型的腰部信息中的旋转角度(θ_hx，θ_hy，θ_hz)确定了有腿移动式机器人100的腰部的姿势，也就是滚转轴、俯仰轴和左、右摇摆轴的旋转(应当知道，图11表示了多质点模型在腰部周围的放大图)。

身体的ZMP等式说明了在施加给控制目标点的力矩之间的平衡关系。当身体由大量质点m_i表示，且它们设置为控制目标点时，确定施加给所有的控制目标点m_i的力矩的总和的表达式为ZMP等式。

下面给出在完全坐标系(O-XYZ)中介绍的身体的ZMP等式以及在局部坐标系(O-X′Y′Z′)中介绍的身体的ZMP等式。

在完全坐标系中的ZMP等式：

r＝r′+r_q

在局部坐标系中的ZMP等式：

$>ver>>r>>·>·>>>=>ver>>r>>·>·>>>\prime >>+>ver>>r>>·>·>>>q>>>$

上述表达式说明，由施加给质点mi的加速度分量产生的环绕ZMP(半径r_i-r_zmp)的力矩的总和、外力力矩Mi的总和以及由外力Fk产生的环绕ZMP的力矩(第k个外力F_k的作用点表示为s_k)的总和彼此平衡。

ZMP平衡等式包括总力矩补偿量，也就是力矩误差分量T。通过将该力矩误差抑制为零或在预定允许范围内，可以保持身体的姿势稳定性。换句话说，姿势稳定控制的本质是使用ZMP作为稳定性判断准则，以校正身体运动(脚部的运动和/或身体的上部的各部分的轨迹)，从而使力矩误差抑制为零或在允许范围内。

在本实施例中，加速度传感器96、93和94分别布置在腰部和左、右脚部。因此，在控制目标点处的加速度测量值结果可以直接导出上述非常精确的ZMP平衡等式。因此，可以实现高速和更精确的姿势稳定控制。

D-2.整体配合型的姿势稳定控制

图12以流程图的形式表示了有腿移动式机器人100利用ZMP作为稳定性判断准则来产生身体运动并由此实现稳定行走的处理步骤。不过，应当知道，在下面的说明中，图10和11中所示的线性且非相互作用多质点近似模型用于说明各关节的位置或有腿移动式机器人100的动作。

首先进行脚部运动的设置(步骤S1)。脚部运动是动作数据，其中，两个或多个身体姿势按时间序列连接。

动作数据例如包括表示脚部的各关节角度变化的关节空间信息以及表示关节位置的迪卡尔空间信息。动作数据可以在控制台屏幕上人工输入，或者可以直接导入身体(直接教导)，例如在用于动作编辑的程序系统上构成。

然后，根据这样设置的脚部运动，计算ZMP稳定区域(步骤S2)。ZMP是施加给身体的力矩为零的点，并基本在由脚底和地面的着地点形成的支承多边形的边上或内部。ZMP稳定区域是设置在支承多边形内部的区域，通过使ZMP处于上述区域，可以使身体处于非常稳定的状态。

然后，根据脚部运动和ZMP稳定区域设置在脚部动作过程中的ZMP轨迹(步骤S3)。

另一方面，对于身体的上部部分(相对于髋关节的上侧)，进行分组设置，例如腰部、躯体部分、上肢和头部(步骤S11)。

然后，对于各部分组设置合适的轨迹(步骤S12)。设置身体上部的这些合适轨迹可以在控制台屏幕上人工输入，或者可以直接导入身体(直接教导)，例如在用于动作编辑的程序系统上构成，与脚部情况类似。

然后，进行不同部分的分组设置的调节(重新分组)(步骤S13)，并向这些组加上优先序号(步骤S14)。这里，优先序号是这样的序号，根据该序号，这些组进行用于执行身体的姿势稳定控制的算术处理操作，并且进行分配，例如根据它们的质量操作量。因此，产生了身体上部的各部分的、具有优先序号的合适轨迹组。

而且，对于身体上部的各个部分组，计算可以用于力矩补偿的质量(步骤S15)。

然后，根据在步骤S14中设置的优先顺序将部分组的运动模式代入姿势稳定控制，该姿势稳定控制基于脚部运动和ZMP轨迹以及身体上部的各部分组的合适轨迹组。

在姿势稳定处理中，起始值1代入处理变量i(步骤S20)。然后计算在设置优先序号范围为从1至i的部分组的目标轨迹时在目标ZMP上的力矩量，也就是总力矩补偿量(步骤S21)。对于没有计算目标轨迹的任何部分，采用用于该部分的合适轨迹。

然后，在步骤S15中计算的、能够用于进行所属部分的力矩补偿的质量用于设置该部分的力矩补偿量(步骤S22)，并计算该力矩补偿量(步骤S23)。

然后，第i部分的计算力矩补偿量用于导出该第i部分的ZMP等式(步骤S24)，并计算该部分的力矩补偿运动(步骤S25)。通过所述的一系列处理，可以获得用于优先序号从1至i的部分的目标轨迹。

通过对所有的部分组进行上述处理，将生成能够稳定运动(例如行走)的总体运动模式。

因为加速度传感器96、93和94分别布置在腰部和左、右脚部，因此，通过利用控制目标点的加速度测量结果，能够直接和非常精确地导出ZMP平衡等式。因此，根据如图12所示的处理步骤，可以高速准确地执行基于ZMP稳定性判断准则的姿势稳定控制。

E.有腿移动式机器人的跌倒操作

如前述条目D所述，本发明的有腿移动式机器人100基本根据ZMP稳定性判断准则而在行走时以及在站立姿势下利用腿进行操作时执行姿势稳定控制，减小身体跌倒情况的发生。

不过，当不能避免跌倒时，执行跌倒动作(跌落动作)，该跌倒动作由能够尽可能防止身体受到损害的动作模式形成。例如，当过大外力F或外部力矩M施加到身体上时，在上述ZMP平衡等式中的力矩误差分量T不能通过身体运动来消除，且不能保持姿势的稳定。

图13以流程图形式表示了在本发明的有腿移动式机器人100的腿操作过程中身体的动作控制的总体处理步骤。

在身体的动作过程中，布置在左、右脚部上的着地确认(地板反作用力)传感器91和92和加速度传感器93和94以及布置在腰部的加速度传感器96的传感器输出用于建立(上述)ZMP平衡等式，以正常计算腰部和下肢轨迹(步骤S31)。

例如，当外力施加给身体时，它判断是否可以设计下一个腰部和下肢轨迹，也就是，是否可以通过脚部的行动设计来消除由该外力引起的力矩误差(步骤S32)。判断是否可以设计腰部和下肢轨迹将考虑腿部关节的活动角度、关节促动器的扭矩值；关节力、角速度、角加速度等。自然，当施加外力时，力矩误差并不是在下一个步骤中通过腿的动作来消除，而是通过几个步骤的动作来消除。

这时，当可以设计脚部动作时，连续进行行走或某些其它腿的运动。

另一方面，当因为施加给身体的外力或外力矩过大而不能设计脚部运动时，有腿移动式机器人100开始跌倒动作(步骤S34)。

在如图1和2所述的直立行走类型的有腿机器人中，因为重心的位置较高，因此，当该机器人无意中通过跌倒而跌落到地板上时，可能对机器人自身造成严重损害，或者对该机器人由于跌倒而碰撞的物品造成严重损害。

因此，在本实施例中，在跌倒之前，机器人的姿势从预先设计的身体轨迹转变成使ZMP支承多边形最小的姿势，以执行预定的跌倒动作。基本上，基于以下两个方法来寻找合适的跌倒操作

(1)使身体的支承多边形的面积S随时间t的变化量ΔS/Δt最小。

(2)当身体跌倒在地板上时使支承多边形最大。

其中，使变化量ΔS/Δt减至最小相当于在跌倒时保持(或减小)支承面积(不过，为了减小支承面积，有时需要驱动力)。通过在身体跌倒时保持支承面积，可以避开施加在身体上的冲击力矩。图14表示了在身体跌倒时保持支承面积的原理。如图14所示，当支承面保持最小时，身体可以避开冲击力矩，与球滚动时的方式相同。如图14所示，即使当支承面运动时，也可以获得类似的效果。例如，当对身体落在地板上(与地板接触)时由地板作用在身体上的冲击力进行确定，且该确定的冲击力超过允许范围时，优选是采用这样的跌倒方法，其中，身体以使支承多边形的面积保持固定的方式滚转。

同时，当身体跌倒在地板上时使支承多边形保持最大相当于通过利用较大支承多边形接受冲击力来缓冲该冲击力，如图15所示。例如，当对身体落在地板上时由地板作用在身体上的冲击力进行确定，且该确定的冲击力在允许范围内时，优选是采用这样的跌倒方法，其中，身体以使支承多边形的面积保持固定的方式滚转。

图16和17表示了当有腿移动式机器人100向后朝着仰卧姿势跌倒时用于使支承多边形变化量ΔS/Δt减至最小的动作，也就是用于在跌倒时保持支承面积的动作的实例。该动作与柔道或其它搏击运动中的ukemi类似，并能够合适地避开在跌倒时的冲击力矩。通过使脚部离开地板而使支承多边形的变化量ΔS/Δt最小，如图17所示。当身体的重心处于腰部时，ZMP可以设置为在与最小支承多边形无关的连杆数目最大时的位置。在上述跌倒和着地动作之后，所有这些可以离开地板的连杆都离开地板。特别是，在所示实施例中，下肢和其它可以升高，以使身体的上半部分和下肢同时离开地板，而脚部、手部等在地板上。因此，通过相对较少数目的步骤就可以形成相对较小的着地多边形(接触多边形)。因此，可以高速实现高效的站立操作。

图18和19分别表示了从侧面看和从右前方看的、当有腿移动式机器人100向前朝着俯卧姿势跌倒时使支承多边形变化量ΔS/Δt减至最小，也就是在跌倒时保持支承面积的实例。该动作与体操等的前滚翻动作类似，并能够合适地避开在跌倒时的冲击力矩。通过使脚部离开地板而使支承多边形的变化量ΔS/Δt最小，如图18和19所示。通过采用上述跌倒方法，当身体跌落到地板上时由地板作用在身体上的冲击力可以分散到整个身体，从而使损害减至最小。

图20以流程图的形式表示了当本实施例的有腿移动式机器人100因为不能设计脚部运动而执行跌倒操作时的处理步骤。根据上述基本方法，跌倒操作通过同步配合驱动沿高度方向连接的肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝盖俯仰轴14来实现。该处理步骤实际上通过由主控制部分81执行预定身体动作控制程序来控制部件的驱动而实现。

首先，寻找使身体的支承多边形的面积S随时间的变化量ΔS/Δt最小的连杆(步骤S41)。

然后，寻找在步骤S41中选定的、使ΔS/Δt最小的连杆的目标着地点(目标接触点)。当身体相当于地板的支承面积保持最小时，可以避开冲击力矩(参考前述和图14)。

然后，主要根据冲击力矩判断是否能够在身体的硬件限制(例如关节的活动角度、关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等)下使在前面步骤中选定的连杆在目标着地点处着地(步骤S43)。

当判断不能使在前面步骤中选定的连杆在目标着地点处着地时，时间的变化量Δt增加预定值(步骤S44)，然后处理返回步骤S41，以重新选择连杆和重新设置该连杆的目标着地点。

另一方面，当可以在前面步骤中选定的连杆可以在目标着地点处着地时，使选定连杆在目标着地点着地(步骤S45)。

然后，判断身体的势能是否减至最小，也就是，跌倒动作是否完成(步骤S46)。

当身体的势能还没有减至最小时，时间的变化量Δt再增加预定值(步骤S47)，且下一个目标着地点设置成使支承多边形可以扩大(步骤S48)。当支承多边形扩大时，可以减小通过落在地板上而作用在身体上的冲击力(参考前述和图15)。

然后，主要根据冲击力判断是否能够在身体的硬件限制(例如关节的活动角度、关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等)下使在前面步骤中选定的连杆在目标着地点处着地(步骤S49)。

当判断不能使在前面步骤中选定的连杆在目标着地点处着地时，处理返回步骤S41，以重新选择连杆和重新设置该连杆的目标着地点。

另一方面，当可以在前面步骤中选定的连杆可以在目标着地点处着地时，处理前进到步骤S45，在该步骤中，使选定连杆在目标着地点着地(步骤S45)。

然后，当身体的势能最小时(步骤S46)，因为身体的在地板上的着地已经完成，因此结束整个处理程序。

下面参考实际机器的动作来介绍有腿移动式机器人100的跌倒操作。

图21表示了有腿移动式机器人100通过关节俯仰轴的同步配合驱动而朝着仰卧姿势跌倒时的动作，该有腿移动式机器人100模拟成连杆结构，包括多个沿高度方向彼此连接的基本平行关节轴，例如肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝盖俯仰轴14。基本上可以说，通过将目标设置在具有能够使非着地(不与地板接触)的连杆的数目最大的连杆时的位置，可以减小由地板作用在身体上的冲击力。

假定机器人只通过脚底站立，该脚底是连杆结构的连杆端头(图21的(1))。

这时，假定因为施加外力或外力矩，ZMP配合等式的力矩误差项T不再能消除，且ZMP离开只是由脚底形成的ZMP稳定区域。然后，因此开始跌倒动作，从而使ZMP保持在支承多边形内。

在跌倒动作中，寻找使身体的支承多边形的面积S随时间的变化量ΔS/Δt最小的连杆，并寻找手的目标着地点，该手使包括手的连杆的ΔS/Δt最小。然后，判断是否能够在身体的硬件限制(例如关节的活动角度、关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等)下，使选定的连杆在目标着地点处着地。

当能够通过身体的硬件进行着地时，除了已经着地的脚底连杆外还使另一连杆着地。然后，ZMP运动到由着地连杆(与地板接触)形成的最小支承多边形中(图21的(2))。

然后，着地点运动，以将支承多边形扩大到身体的硬件允许的程度(图21的(3))。

然后，当由于身体的硬件限制例如关节的活动角度、关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等而不能再使着地点运动时，判断是否能够使置于着地连杆之间的非着地连杆着地。

当从身体硬件的观点看能够使在着地连杆之间的非着地连杆着地时，使中间连杆着地，以增加着地连杆数目(图21的(4))。

而且，着地点运动，以扩大支承多边形，直到身体的硬件允许的程度(图21的(5))。

最后，在由沿高度方向连接的多个基本平行的关节轴形成的连杆结构的一端侧的一个或多个连杆，以及在该连杆结构的另一端侧的两个或更多连杆离开地板，同时位于它们中间的一个或多个连杆着地，且脚部着地，然后，在该状态下，形成使支承多边形变为最大的姿势，同时使ZMP保持在支承多边形内。当身体的势能在该姿势下最小时，跌倒动作完成。

图22至38以及图39至55表示了实际机器从站立姿势跌倒成仰卧姿势的方式。

在这个例子中，包括髋关节俯仰轴的身体连杆被选择作为使身体的支承多边形的面积S随时间t的变化量ΔS/Δt最小的连杆，并寻找目标着地点和使身体向后跌落(参考图22至31和39至48)。身体采取这样的姿势，其中，膝关节折叠，使着地时支承多边形的变化量最小，也就是使ΔS/Δt最小。

然后，包括躯体俯仰轴9和肩关节俯仰轴4的身体连杆被选择作为使身体的支承多边形的面积S随时间t的变化量ΔS/Δt最小的连杆，并寻找选定连杆的目标着地点和使身体更深地向后跌落。这时，因为髋关节俯仰轴12已经着地，包括身体俯仰轴9和肩关节俯仰轴4的身体连杆绕髋关节俯仰轴12枢轴转动，并落在地板上(参考图32至33和49至50)。

然后，由颈关节俯仰轴2连接的头部连杆被选择作为使身体的支承多边形的面积S随时间t的变化量ΔS/Δt最小的连杆，并寻找选定连杆的目标着地点和使身体更深地向后跌落。这时，因为颈关节俯仰轴2已经着地，头部绕颈关节俯仰轴2枢轴转动，并落在地板上(参考图34至38和51至55)。因为身体在势能该姿势时最小，因此跌倒动作完成。

图56表示了表示了有腿移动式机器人100通过关节俯仰轴的同步配合驱动而朝着俯卧姿势跌倒时的动作，该有腿移动式机器人100模拟成连杆结构，包括多个沿高度方向彼此连接的基本平行关节轴，例如肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝盖俯仰轴14。实际上，通过将目标设置在具有能够使非着地(不与地板接触)的连杆的数目最大的连杆时的位置，可以减小由地板作用在身体上的冲击力。

假定机器人只通过脚底站立，该脚底是连杆结构的连杆端头(图56的(1))。

这时，假定因为施加外力或外力矩，ZMP配合等式的力矩误差项T不再能消除，且ZMP离开只是由脚底形成的ZMP稳定区域。然后，因此开始跌倒动作，从而使ZMP保持在支承多边形内。

在跌倒动作中，寻找使身体的支承多边形的面积S随时间的变化量ΔS/Δt最小的连杆，并寻找手的目标着地点，该手使包括手的连杆的ΔS/Δt最小。然后，判断是否能够在身体的硬件限制(例如关节的活动角度、关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等)下使选定的连杆在目标着地点处着地

当能够通过身体的硬件进行着地时，除了已经着地的脚底连杆外还使另一连杆着地。然后，ZMP运动到由着地连杆形成的最小支承多边形中(图56的(2))。

然后，着地点运动，将支承多边形扩大到身体的硬件允许的程度(图56的(3))。

然后，当由于身体的硬件限制例如关节的活动角度、关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等而不能再使着地点运动时，判断是否能够使夹在着地连杆之间的非着地连杆着地。

当从身体硬件的观点看能够使在着地连杆之间的非着地连杆着地时，使中间连杆着地，以增加着地连杆数目(图56的(4))。

而且，着地点运动，将支承多边形扩大到身体的硬件允许的程度(图56的(5))。

最后，在由沿高度方向连接的多个基本平行的关节轴形成的连杆结构的一端侧的一个或多个连杆，以及在该连杆结构的另一端侧的两个或更多连杆离开地板，同时位于它们中间的一个或多个连杆着地，且脚部着地。然后，在该状态下，形成使支承多边形变得最大的姿势，同时使ZMP保持在支承多边形内。当身体的势能在该姿势下最小时，跌倒动作完成。

图57至73以及图74至90表示了实际机器从站立姿势跌倒成俯卧姿势的方式。

在这个例子中，包括肩关节俯仰轴4的臂连杆的手被选择作为使身体的支承多边形的面积S随时间t的变化量ΔS/Δt最小的连杆，并寻找目标着地点和使身体向前跌落(参考图57至70和74至87)。

这时，身体采取这样的姿势，其中，膝关节折叠，使着地时支承多边形的变化量ΔS减至最小，这样，手能够着地的位置设置在靠近脚底的位置。

然后，包括膝关节俯仰轴14的腿部连杆被选择作为使身体的支承多边形的面积S随时间t的变化量ΔS/Δt最小的连杆，并寻找选定连杆的目标着地点和使身体更深地向前跌落。这时，因为脚部已经着地，腿部绕踝关节俯仰轴枢轴转动，且膝盖落在地板上(参考图70至71和88至89)。

而且，作为着地点(接触点)的手和膝盖运动，以离开脚底，从而使支承多边形扩大到身体的硬件允许的程度(参考图72和89)。因此，躯体部分连杆也在手和膝盖之后落在地板上(参考图73和90)。因为身体势能在该姿势时最小，因此跌倒动作完成。

F.从地板姿势站起来的操作

为了从地板姿势例如仰卧姿势或俯卧姿势进行驱动，或者为了使有腿移动式机器人跌倒时能够自己站起来并重新工作，需要使有腿移动式机器人100能够实现站起来的操作。

不过，当有腿移动式机器人100试图沿未设计的轨迹站起来时，将施加过高的外力矩，且关节促动器需要较高的输出力矩。因此，需要更大尺寸的马达，驱动功率消耗也增加。而且，身体的重量增加，制造成本增加。重量的增加使得站起来的动作更困难。或者，还可能因为在站起来的动作处理中产生的外力矩而出现不能稳定地保持姿势的情况，或者不能自己站起来。

因此，在本实施例中，有腿移动式机器人100执行站起来的动作，该站起来的动作由使得外力矩最小的动作模式形成。这可以通过按时间序列组合使ZMP支承多边形最小的各姿势来实现。

而且，本发明的有腿移动式机器人100为连杆结构，其中，多个俯仰轴沿高度方向彼此串联连接(当从侧向看时)，例如肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝盖俯仰轴14(参考图3)。因此，多个关节俯仰轴4至14以预定顺序同步配合驱动，以根据使ZMP支承多边形最小的动作模式来实现站起来的动作。

F-1.从基本仰卧姿势站起来的操作

图91以流程图的形式表示了当本实施例的有腿移动式机器人100通过同步配合驱动肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝盖俯仰轴14来执行站起来的动作时的处理步骤。上述处理步骤通过由主控制部分81执行预定身体动作控制程序来控制部件的驱动而实现。

同时，图92以关节连杆模型形式表示了本实施例的有腿移动式机器人100通过同步配合驱动肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝盖俯仰轴14来执行从仰卧姿势站起来的动作时的方式。应当知道，尽管本实施例的有腿移动式机器人100包括躯体俯仰轴9，但是在图93中也表示了不包括躯体俯仰轴的有腿移动式机器人执行从仰卧姿势站起来的动作的方式。不过，应当知道，整个身体的重心的位置设置在图93所示的连杆结构中使躯体关节和髋关节相互连接的连杆上，在下文中该连杆称为“重心连杆”。应当知道，尽管“重心连杆”在狭义上为上述定义，但是在广义时，它可以为整个身体的重心位置在它上面的任意连杆。例如，当身体不包括躯体轴时，包括躯体的端部等的连杆对应于前述连杆，整个身体的重心在该躯体的端部等处。

下面将参考图91所示的流程图介绍身体从基本仰卧姿势站起来的操作。

首先，当身体处于地板姿势时，寻找使势能最小的姿势(步骤S51)。该姿势对应于基本仰卧姿势，在该姿势中，使得用于站起来的动作的肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝盖俯仰轴14相互连接的连杆是全部着地连杆(与地板接触)，如图92中的(1)和图93中的(1)所示。这时，实际机器的状态如图94和112所示。因为采取使势能最低的姿势，因此可以测量路面的斜度或形状，并确认是否能够执行站起来的动作。

当身体处于基本仰卧姿势时，从由着地连杆形成的着地多边形中寻找最狭窄的支承多边形(步骤S52)。这时，判断是否可以设计当身体的一端侧的至少两个或更多连杆离开地板时的ZMP轨迹。判断ZMP的可设计性可以考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。

然后，与着地多边形中的最狭窄支承多边形无关的两个或更多连杆离开地板(步骤S53)

步骤S53与图92的(2)和图93的(2)相对应。在实际机器中，包括使躯体关节和髋关节相互连接的重心连杆的身体底部作为支承多边形，除它们外的、从肩关节至躯体部件的两个或更多连杆离开地板，成为与支承多边形无关的连杆。

这时，实际机器的动作如图95至96和113至114所示。在所示实例中，左、右臂部升高，然后驱动躯体关节俯仰轴促动器A3，以使身体的上部坐起来。因为臂部预先升高，因此力矩可以减小，以减小所需的最大扭矩。

然后，一端侧的一个或更多非着地连杆弯曲，以使该连杆的端部着地，从而形成更狭窄的着地多边形(步骤S54)。

步骤S54与图92的(3)和图93的(3)相对应。在实际机器中，尽管包括肩关节的两个或更多连杆离地，但是它们环绕肩关节俯仰轴弯曲，从而使作为连杆端部的手着地。然后，手逐渐朝着作为身体重心位置的躯体俯仰轴运动，以形成比在地面上的初始姿势更窄的着地多边形。

这时，实际机器的动作如图97至101和115至119所示。在所示实例中，首先通过驱动左、右肩关节滚转轴A5而使左、右臂部横向升高，然后再通过驱动上部左、右摇摆轴A6而使臂部的方向转180度(图98至99和116至117)。然后，通过驱动肩关节俯仰轴A4而使臂部逐渐降低。然后，手进行着地，以形成更狭窄的着地多边形(图101和119)。

在这样形成的新着地多边形之后，检查是否可以将ZMP设置在着地多边形中(步骤S55)。该判断将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。然后，ZMP运动到着地多边形内，以形成新的支承多边形(步骤S56)。

这时，判断支承多边形是否充分狭窄(步骤S57)。其中，判断使躯体俯仰轴和髋关节俯仰轴相互连接的重心连杆是否能够离开地板，或者ZMP是否能够运动到只由脚部形成的ZMP稳定区域中，这将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。下面将说明判断支承多边形是否充分狭窄的详细步骤。

根据图101和119中所示的实际机器的姿势，认为支承多边形并不充分狭窄。因此，在移动着地点以减小支承多边形之后(步骤S50)，处理返回步骤S52，以重新试图形成更狭窄的支承多边形。

寻找由图101和119所示姿势中的着地连杆形成的、最狭窄的一个着地多边形(步骤S53)。下面判断能否设计当身体另一端侧的至少两个或更多连杆离开地板时的ZMP。ZMP的可设计性判断将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。

然后，与着地多边形中最狭窄的支承多边形无关的两个或更多连杆离开地板(步骤S53)。这对应于图92中的(4)至(5)和图93中的(4)至(5)。在实际机器中，包括膝关节俯仰轴的、另一端侧处的两个或更多连杆离地，成为与支承多边形无关的连杆。

然后，一端侧的一个或更多非着地连杆折叠，以使连杆的端部折叠，从而形成更狭窄的着地多边形(步骤S54)。

这时，实际机器的动作在图102至105和120至123中表示。在所示实例中，首先通过驱动用于右腿的髋关节俯仰轴驱动器A12而升高右腿，然后通过驱动膝关节促动器A14而使右腿弯曲，从而使该腿的脚底落在地板上。然后，通过驱动用于左腿的髋关节俯仰轴驱动器A12而升高左腿，然后通过驱动膝关节促动器A14而使左腿弯曲，从而使该腿的脚底落在地板上。通过逐渐使脚底接近髋关节俯仰轴12侧(该髋关节俯仰轴侧是身体重心的位置)，可以形成比初始着地姿势更狭窄的着地多边形。

在这样形成新的着地多边形之后，判断是否可以将ZMP设置在着地多边形中(步骤S55)。该判断的进行将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、加速度、角加速度等。然后，ZMP运动到着地多边形内，以形成新的支承多边形(步骤S56)。

这时，再次判断支承多边形是否充分狭窄(步骤S57)。其中，判断使躯体俯仰轴和髋关节俯仰轴相互连接的重心连杆是否能够离开地板，或者ZMP是否能够运动到只由脚部形成的ZMP稳定区域中，这将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。在图105和123所示的实际机器的姿势中，判断形成了充分狭窄的支承多边形。至于支承多边形减小时臂的角度，根据扭矩量，该由从肩部轴线向地板延伸的法线和臂中心轴线确定的角度，优选是在预定角度内。

然后，随着身体的支承多边形变得充分狭窄，当支承多边形的相对端连杆的端部保持着地时，重心连杆离开地板，且当ZMP保持在由相对端连杆的着地连杆形成的支承多边形内时，形成支承多边形的相对端连杆的端部之间的距离减小，以使ZMP朝着连杆结构的另一端侧运动(步骤S58)。这对应于图92的(6)至(7)以及图93的(6)至(7)。

在实际机器中，使躯体俯仰轴和髋关节俯仰轴相互连接的重心连杆离开地板，而作为着地多边形的相对端连杆的端部的手和脚底保持着地，且手和脚底之间的距离逐渐减小，以使ZMP朝着脚底运动。这时实际机器的动作在图106至109以及图124至127中表示。

然后，随着ZMP进入仅由数目比第二预定数目少、位于连杆结构另一端的着地连杆形成的着地多边形中，在ZMP保持处于着地多边形中时，数目比第一预定数目多、位于连杆结构一端侧的连杆离开地板，然后，它们沿纵向方向伸展，以完成站起来的动作(步骤S59)。这与图92的(8)以及图93的(8)相对应。

在实际机器中，随着ZMP进入由脚底形成的着地多边形内，在ZMP保持处于着地多边形中时，从肩关节俯仰轴4到踝关节俯仰轴14的连杆离开地板，且它们沿纵向方向伸展，以完成站起来的动作。这时实际机器的动作在图110至111和128至129中表示。

当在站起来的最终阶段非着地连杆沿纵向方向伸展时，保证在身体的动作中高效地使用具有相对较大质量操作量的膝关节俯仰轴来执行动作。

应当知道，当在步骤S53中与最小支承多边形无关的两个或更多连杆不能离开地板时，将试图使位于最大支承多边形内部的两个或更多着地连杆离地(步骤S61)。

当不能执行步骤S61中的处理时，站起来的动作结束(步骤S64)。另一方面，当可以成功执行步骤S61中的处理时，着地点进行运动，以进一步减小支承多边形(步骤S62)。

当不能执行步骤S62中的处理时，站起来的操作停止(步骤S64)。当可以成功执行步骤S62中的处理时，检查ZMP能否运动到能够由脚底形成的稳定区域中(步骤S63)。下面将介绍判断支承多边形是否充分狭窄的详细步骤。当ZMP不能运动到稳定区域中时，处理返回步骤S61，以重复执行类似处理，从而减小支承多边形。另一方面，当ZMP能够运动到稳定区域中时，处理前进到步骤S58，以执行返回基本姿势的动作。

顺便说明，在步骤S53至S54中，利用肩滚转轴执行使左、右臂部横向伸展的动作，如图97至98和115至116所示，以使左、右手落在身体后面的地板上。这不经济地增加了用于使有腿移动式机器人100执行站起来的动作的体积。因此，图96至101和113至119中所示的一系列动作可以由图130和131中所示的动作代替，从而以使肘俯仰轴弯曲来代替使肩滚转轴运动，这样，左、右手可以通过在身体后面的更小使用体积来着地。

在上述站起来的动作的步骤中，需要在步骤S57和S63中判断支承多边形是否充分狭窄。图173以流程图的形式表示了判断支承多边形是否充分狭窄的处理步骤。

首先，确定ZMP偏移ε(ε_x，ε_y，ε_z)，也就是在能够由脚部形成的稳定区域的中心位置(x₀，y₀，z₀)和当前的ZMP位置(x，y，z)之间的距离(步骤S71)。

然后，使ZMP偏移ε(ε_x，ε_y，ε_z)乘以预定增益G(G_x，G_y，G_z)，且该乘积加上当前腰的位置r(r_hx(t)，r_hy(t)，r_hz(t))，以获得在下一时间t＝t+Δt时的目标腰位置r(r_hx(t+Δt)，r_hy(t+Δt)，r_hz(t+Δt))＝r(r_hx(t)，_hy(t)，r_hz(t))+G(G_x，G_y，G_z)+ε(ε_x，ε_y，ε_z)。

然后，判断下一目标腰位置是否能够形成于当前的支承多边形中(步骤S73)。该判断通过计算下一目标腰位置来进行，同时保持着地连杆的着地点。换句话说，从腰位置和着地位置反向进行动力计算，且当计算结果表明角度在活动角度范围内且力矩在关节促动器的允许力矩范围内时，判断下一目标腰位置可以形成于当前的支承多边形中。

当下一目标腰位置不能形成于当前的支承多边形中时，判断不能使ZMP运动到能够由脚部形成的稳定区域中，整个处理程序终止。

另一方面，当下一目标腰位置可以形成于当前的支承多边形中时，计算当腰部运动到下一目标腰位置时的ZMP(也就是下一ZMP)(步骤S74)。

然后，判断ZMP是否在能够由脚部形成的稳定区域中(步骤S75)。当该判断结果为肯定时，确定ZMP可以运动到能够由脚部形成的稳定区域中(步骤S76)，整个处理程序结束。另一方面，当判断结果为否定时，下一腰位置设置为当前的腰位置，而下一ZMP设置成当前的ZMP，然后，处理返回步骤S71，以重复执行类似处理。

应当知道，在图130和131所示的动作的实例中，当上臂的长度由l₁表示、前臂的长度由l₂表示、肩滚转角度由α表示肘俯仰轴角度由β表示、从肩到手的长度由l₁₂表示、由使肩和手相互连接的线所确定的角度由Y表示、且肩的高度由h表示时(图132)，在左、右手落在身体后面的地板上的动作期间，通过使肘俯仰轴7操作成满足以下表达式，手根本不会与地板碰撞：

l₁₂＝l₁cosα+l₂sin(α+β-90)

l₁₂sinγ＜h

而且，图92中所示的、站起来的动作模式表示了有腿移动式机器人的站起来的动作，该有腿移动式机器人的身体以连杆结构为模型，其中，肩关节俯仰轴、躯体俯仰轴、髋关节俯仰轴和膝盖俯仰轴沿高度方向连接。在图133中，有腿移动式机器人的站起来的动作以概括成连杆结构的有腿移动式机器人来表示，其中，彼此基本平行且分别有关节自由度的多个关节轴沿纵向方向彼此连接。

图133中所示的连杆结构通过使彼此基本平行且分别有关节自由度的多个关节轴沿纵向方向连接而形成。从地板姿势(其中，所有的连杆都在地板上)站起来的动作利用连杆A、B、C、D、E和F来实现。

不过，应当知道，尽管各连杆A至F并不必须是单个连杆，而是实际上包括通过关节轴彼此连接的多个连杆，但是假设在站起来的动作期间，这些关节轴并不操作，连杆之间保持平直，这样，它们象是单个连杆那样起作用。例如，连杆A包括在连杆结构端部的第一至第h连杆的连杆；连杆B包括从该第h连杆的下一连杆到第i连杆的连杆；连杆C包括从该第i连杆的下一连杆到第j连杆的连杆；连杆D包括从该第j连杆的下一连杆到第k连杆的连杆；连杆E包括从该第k连杆的下一连杆到第l连杆的连杆；而连杆F包括从该第l连杆的下一连杆到第m连杆(或者在连杆结构的另一端的连杆)的连杆。

首先，着地多边形形成于第F连杆和第A连杆之间，ZMP设置在着地多边形内(图133中的(1))

然后，ZMP设置在第E连杆和第A连杆之间的着地多边形内(图133中的(2))。这时，可以利用第F连杆的运动，使连杆结构端部的两个或更多连杆离开地板。

然后，在第F连杆和第A连杆之间新形成更窄的着地多边形，且ZMP设置在该着地多边形中(图133中的(3))。例如，离地状态的第F连杆弯曲，从而它的端部落在地面上，形成新的着地多边形。

然后，在第F连杆和第D或C连杆之间新形成着地多边形，且ZMP设置在该着地多边形中(图133中的(4))。这时，可以利用第A连杆的运动，使连杆结构另一端的两个或更多连杆离开地板。

然后，使第D连杆着地，以由第F连杆和第A连杆新形成着地多边形，且ZMP设置在该着地多边形内(图133中的(5))。例如，在离地状态的连杆A弯曲，从而使它的端部落在地面上，形成新的着地多边形。

然后，由第F连杆和第A连杆新形成着地多边形，且ZMP设置在该着地多边形中(图133中的(6))。例如，处于着地状态的第D连杆(与地板接触)离开地板，同时使连杆结构的相对端部分保持着地。

然后，第F和A连杆的两端点彼此对齐，以使ZMP运动到只由第A连杆形成的支承多边形中(图133中的(7))。

最后，连杆运动至基本站立姿势，同时ZMP保持设置在只由第A连杆形成的支承多边形内(图133中的(8))。

F-2.从基本俯卧姿势站起来的操作

图134表示了本实施例的有腿移动式机器人100通过同步配合驱动关节连杆模式的肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝盖俯仰轴14执行站起来的动作。

本实施例的有腿移动式机器人100也可以根据在图91的流程图中介绍的处理步骤从俯卧姿势站起来，这基本与它从仰卧姿势站起来的情况类似。下面将参考图91所示的流程图介绍身体从基本俯卧姿势站起来的操作。

首先，身体采取地板姿势中势能最小的姿势(步骤S51)。该姿势对应于基本仰卧姿势，在该姿势中，将用于站起来动作的肩关节俯仰轴4、躯体俯仰轴9、髋关节俯仰轴12和膝盖俯仰轴14相互连接起来的连杆，全部处于着地状态，如图134中的(1)所示。这时，实际机器的状态如图135和154所示。

当身体处于基本仰卧姿势时，从由着地连杆形成的着地多边形中寻找最狭窄的支承多边形(步骤S52)。这时，判断是否可以设计当身体的一端侧的至少两个或更多连杆离开地板时的ZMP。判断ZMP的可设计性可以考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。

然后，与着地多边形中的最狭窄支承多边形无关的两个或更多连杆离开地板(步骤S53)。步骤S53与图134的(2)相对应。在实际机器中，包括使躯体关节和髋关节相互连接的重心连杆的身体底部，作为支承多边形，从肩关节至躯体关节的两个或更多连杆离开地板，成为与支承多边形无关的连杆。

这时，实际机器的动作如图136至144和155至163所示。在所示实例中，左、右臂部的肩滚转轴促动器A₅工作，使臂部环绕肩滚转轴沿地板枢轴转动大约90度(图136至137和155至156)。这时，上臂左、右摇摆轴促动器A₆工作，使臂部环绕上臂左、右摇摆轴枢轴转动大约180度(图138和157)。而且，肩滚转轴促动器A₅操作，使臂部环绕肩滚转轴沿地板枢轴转动大约90度，直到臂部运动到头部的侧面(图138至141和157至160)。

在图136至141和165至170中所示的一系列动作中，各左、右臂部画半圆。这时，可以检测在身体周围的地板上是否有障碍物，以保证站起来的动作所需的安全工作区域。

然后，一端侧的一个或更多非着地连杆弯曲，以使该连杆的端部着地，从而形成更狭窄的着地多边形(步骤S54)。步骤S54与图134的(3)相对应。

在形成的新着地多边形之后，检查是否可以将ZMP设置在着地多边形中(步骤S55)。该判断将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。然后，ZMP运动到着地多边形内，以形成新的支承多边形(步骤S56)。

在实际机器中，当身体处于使左、右臂部保持伸直且肘俯仰轴7固定的状态时，肩俯仰轴促动器A₄、躯体俯仰轴促动器A₉、髋关节俯仰轴促动器A₁₂和膝关节俯仰轴促动器A₁₄进行操作，形成支承多边形，该支承多边形由在手和左、右膝盖着地的姿势下的闭合连杆形成(图142至144和161至163)。

在图144和153所示的实际机器的姿势中，支承多边形并不充分狭窄。因此，着地点运动，以减小支承多边形(步骤S60)。对于当支承多边形减小时臂的角度，该由从肩部的轴线朝着地板延伸的法线以及臂的中心轴线确定的角度，优选是在基于力矩量的预定角度内。

在实际机器中，当左、右臂部保持伸直时，手逐渐朝着作为另一着地点的脚底运动，以形成更狭窄的支承多边形(图145至148和164至167)。

这时，判断支承多边形是否充分狭窄(步骤S57)。其中，判断使躯体俯仰轴和髋关节俯仰轴相互连接的重心连杆是否能够离开地板，或者ZMP是否能够运动到只由脚部形成的ZMP稳定区域中，这将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。当实际机器采取图148和165中所示的姿势时，判断形成了充分狭窄的支承多边形。

然后，随着身体的支承多边形变得充分狭窄，当ZMP保持在由相对端连杆的着地连杆形成的支承多边形内时，形成支承多边形的相对端连杆的端部之间的距离减小，以使ZMP朝着连杆结构的另一端侧运动(步骤S58)。这对应于图34的(6)至(7)。

在实际机器中，当作为着地多边形的相对端连杆的端部的手和脚底保持着地时，使手和脚底之间的距离逐渐减小，以使ZMP朝着脚底运动。这时实际机器的动作在图149至150以及图168至169中表示。

然后，随着ZMP进入仅由数目比第二预定数目少、连杆结构另一端的着地连杆形成的着地多边形中，在ZMP保持处于着地多边形中时，数目比第一预定数目多的、连杆结构一端侧的连杆离开地板，然后，它们沿纵向方向伸展，以完成站起来的动作(步骤S59)。这与图134的(8)相对应。

在实际机器中，随着ZMP进入由脚底形成的着地多边形内，在ZMP保持处于着地多边形中时，从肩关节俯仰轴4到踝关节俯仰轴14的连杆离开地板，且它们沿纵向方向伸展，以完成站起来的动作。这时实际机器的动作在图151至153和170至172中表示。

当在站起来的最终阶段，非着地连杆沿纵向方向伸展时，保证在身体的动作中高效地使用具有相对较大质量操作量的膝关节俯仰轴来执行动作。

F-3.站起来的操作的其它实例

在图91所示的站起来的操作中，使ZMP支承多边形最小的姿势与时间序列组合，以执行具有使外部力矩最小的动作模式的站立操作。该站起来的动作在连续形成更小支承多边形的处理中，利用手部和脚部的步进变化动作。不过，为了实现步进变化动作，需要使手部或脚部离开地板，且必须有两个或更多与支承多边形无关的连杆。不过，根据身体的姿势，有时不能进行步进变化动作。这时，站起来的动作自身将失败(图91的步骤S64)。

相反，当不能在连续形成更小支承多边形的处理中执行手部和脚部的步进变化动作时，通过利用手部或脚部的拖动，可以减少站起来的动作失败的可能性。下面将介绍在连续形成更小支承多边形的处理中，利用手部和/或脚部的步进变化动作和拖动动作的站立操作。

图174以流程图的形式表示了利用手部和/或脚部的步进变化动作和拖动动作的站立操作。下面介绍站起来的动作的步骤。图175至191连续表示了利用手部或脚部的步进变化动作或拖动动作使身体从基本俯卧姿势站起来。在下面的说明中，将适当地参考附图。

首先，身体采取地板姿势中势能最小的姿势(步骤S81)。该姿势相当于基本俯卧姿势，这时实际机器的状态如图175所示。

不过，应当知道，当在跌倒动作之后接着站起来时，步骤S81可以省略，以以更短的时间完成站起来的动作(后面将介绍)。

当身体处于基本俯卧姿势时，从由着地连杆形成的着地多边形中寻找最狭窄的支承多边形(步骤S82)。这时，判断是否可以设计当身体一端侧的至少两个或更多连杆离开地板时的ZMP。判断ZMP的可设计性可以考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。

这时，判断与着地多边形中最狭窄的支承多边形无关的两个或更多连杆能否离开地板(步骤S83)。当与着地多边形中最狭窄的支承多边形无关的两个或更多连杆能够离开地板时，处理前进至步骤S84，从而通过手部或脚部的步进变化动作来形成更小的着地多边形。另一方面，当与着地多边形中最狭窄的支承多边形无关的两个或更多连杆不能离开地板时，处理前进至步骤S91，从而利用手部或脚部的拖动动作来形成更小的着地多边形。

在步骤S84中，与最小支承多边形无关的两个或更多连杆离开地板，而且，非着地连杆弯曲并着地，以形成更小的着地多边形(步骤S85)。

例如，当在两手和两脚处于地板上的情况下站起来过程中的机器人改变左脚和右脚的步位时(图179至181和184至186)，非着地连杆弯曲，并落在地板上，以试图形成更小的着地多边形，如图175、182至183、185和187所示。

然后，在形成新的着地多边形之后，检查是否可以将ZMP设置在着地多边形中(步骤S86)。该判断的进行将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、加速度、角加速度等。然后，ZMP运动到着地多边形内，以形成新的支承多边形(步骤S87)。当不能将ZMP设置在着地多边形中时，处理返回步骤S83，这时再检查应当执行手部或脚部的步进变化动作和拖动动作中的哪一个。

这时，判断支承多边形是否充分狭窄(步骤S88)。其中，判断使躯体俯仰轴和髋关节俯仰轴相互连接的重心连杆是否能够离开地板，或者ZMP是否能够运动到只由脚部形成的ZMP稳定区域中，这将考虑连杆结构的活动角度、使连杆相互连接的关节促动器的扭矩值、关节力、角速度、角加速度等。

然后，随着身体的支承多边形变得充分狭窄，在使ZMP保持在由相对端连杆的着地连杆形成的支承多边形内时，形成支承多边形的相对端连杆的端部之间的距离减小，以使ZMP运动至连杆结构的另一端侧(步骤S89)。

在实际机器中，当作为着地多边形的相对端连杆的端部的手和脚底保持落在地板上，在手和脚底之间的距离逐渐减小，以使ZMP朝着脚底运动。这时实际机器的动作在图188至189中表示。

然后，随着ZMP进入仅由数目比第二预定数目少、位于连杆结构另一端的着地连杆形成的着地多边形中，在ZMP保持处于着地多边形中时，数目比第一预定数目多、位于连杆结构一端侧的连杆离开地板，然后，它们沿纵向方向伸展，以完成站起来的动作(步骤S90)。

在实际机器中，随着ZMP进入由脚底形成的着地多边形内，在ZMP保持处于着地多边形中时，从肩关节俯仰轴4到踝关节俯仰轴14的连杆离开地板，且它们沿纵向方向伸展，以完成站起来的动作。这时实际机器的动作在图190至191中表示。

在站起来的最终阶段，当非着地连杆沿纵向方向伸展时，保证在身体的动作中高效地使用具有相对较大质量操作量的膝关节俯仰轴来执行动作。

另一方面，当在步骤S83中判断与最小支承多边形无关的两个或更多连杆不能离开地板时，将检查位于最大支承多边形的内部的两个或更多着地连杆能否离开地板，以执行手部或脚部的拖动动作(步骤S91)。

这时，当位于最大支承多边形内部的两个或更多着地连杆不能离开地板时，将判断着地点能否进一步运动以减小支承多边形。当不能减小该支承多边形时，站起来的动作停止(步骤S95)。换句话说，站起来的动作失败。

另一方面，当位于最大支承多边形内部的两个或更多着地连杆能够离开地板时，位于最大支承多边形内部的两个或更多着地连杆离开地板(步骤S92)，且利用手部或脚部的拖动动作来使着地点运动，以减小支承多边形(步骤S93)。

例如，如图176至178和187至188所示，在两手和两脚落在地板上的情况下，站立过程中的机器人将两手拖向脚，同时使这两手保持在地板上，以逐渐减小支承多边形。

然后，判断该支承多边形是否充分狭窄(步骤S88)。然后，随着身体的支承多边形变得充分狭窄，在使ZMP保持在由相对端连杆的着地连杆形成的支承多边形内时，形成支承多边形的相对端连杆的端部之间的距离减小，以使ZMP运动至连杆结构的另一端侧(步骤S89)。

然后，随着ZMP进入仅由数目比第二预定数目少、连杆结构另一端的着地连杆形成的着地多边形中，在ZMP保持处于着地多边形中时，数目比第一预定数目多、连杆结构一端侧的连杆离开地板，然后，它们沿纵向方向伸展，以完成站起来的动作(步骤S90)。

图199以流程图形式表示了寻找使与最小支承多边形无关的连杆数目最大的连杆以及连杆的位置的详细过程。

首先，在步骤S101和102中，变量i和j以及数组型变量M进行初始化。然后，ZMP设置在第i连杆的第j位置(步骤S103)。

这时，判断ZMP空间是否稳定(步骤S104)。当ZMP空间稳定时，计算与最小支承多边形无关的连杆数目(步骤S105)，使L等于在第i连杆的第j位置情况下可以离地的连杆数目。然后，当L大于M时(步骤S106)，L(i，j)代入M(A、B)(步骤S107)。

另一方面，当ZMP空间不稳定时，当L不大于M或者在L(i，j)代入M(A、B)后，j加1(步骤S108)，然后判断j是否超过总位置数目J，然后处理返回步骤S103，以重复执行与上述类似的处理。

然后，i加1(步骤S110)，然后判断i是否大于总连杆部件I(步骤S111)。当i不大于总连杆数目时，处理返回步骤S102，以重复执行与上述类似的处理。

当i大于总连杆数目I时，连杆代入A，位置代入B，然后结束并处理程序。

如上所述，在跌倒操作之后站起来时，步骤S81可以省略，以以更短时间完成站起来的操作。

例如，当身体的重心在腰部时，ZMP可以设置在使与最小支承多边形无关的连杆的数目最大的位置。在该跌倒和着地动作后，所有可以离开地板的连杆都离地。特别是，下肢和躯体都向上运动，以使身体的上部和下肢都同时离开地板，而脚部、手部等处在地板上。因此，可以以更少的步骤形成更小的着地多边形。因此，可以以更高速度实现高效站起来的运动。

图192至198表示了身体在跌倒动作之后接着执行站起来的动作时的一系列动作。

身体的朝后跌倒运动从如图192所示的站立姿势开始，如图192至193所示，身体重心所在的腰部落在地板上，如图194所示。

在图194所示的实例中，ZMP使身体部分设置成与最小支承多边形无关的连杆数目最大。而且，它的特征在于跌倒动作并不是终止于基本俯卧姿势，而是处于腿部离开地板的状态，这与参考图23至38和39至55所述的实例不同。

在随后的站起来的动作中，能够离开地板的所有连杆(也就是腿部和身体部分)离开地板，如图195所示，以开始站起来的动作。其中，驱动髋关节和/或躯体的俯仰轴驱动器，以使身体的上部坐起来，如图196至197所示。驱动用于右腿的髋关节俯仰轴促动器A₁₂，以升高右腿，并驱动用于右腿的膝关节俯仰轴促动器A₁₄，以使右腿弯曲，这样，右腿的脚底着地。然后，驱动用于腿的髋关节俯仰轴促动器A₁₂，以升高左腿，并驱动用于左腿的膝关节俯仰轴促动器A₁₄，以使左腿弯曲，这样，左腿的脚底着地。通过使脚底朝着髋关节俯仰轴12侧(这时身体的重心位置在该髋关节俯仰轴12侧)逐渐运动，可以形成比初始地板姿势更狭窄的支承多边形，如图198所示。

当在跌倒动作之后接着执行站起来的动作时，与上面参考图23至38和39至55所述的实例相比，能够以更少步骤形成更小的着地多边形。换句话说，应当知道，通过上述实施例，可以更高效地形成更狭窄的着地多边形，并可以以更高速度执行站起来的运动。

补充说明：

上面已经参考特定实施例详细介绍了本发明。但是显然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对实施例进行改变或变化。

本发明的主题并不必须局限于成为“机器人”的产品。特别是，本发明同样可以用于利用电或机械作用来执行类似于人类动作的任意一种机械装置，即使该机械装置是属于其它工业领域的产品，例如玩具。

总而言之，已经通过附图说明介绍了本发明，但是，不应该对本说明书所述的内容作限制性的理解。为了确定本发明的主题，应当参考本申请的权利要求。

工业实用性

根据本发明，可以提供超级有腿移动式机器人和用于有腿移动式机器人的超级跌倒动作控制方法，从而可以在跌倒和跌落的过程中通过整个身体(不仅腿部，而且身体和臂部)的动作控制而尽可能减少在其它情况下可能对该机器人造成的损害。

而且，根据本发明，可以提供用于有腿移动式机器人的超级动作控制装置和动作控制方法，从而使该机器人可以自己从地板姿势(例如仰卧姿势或俯卧姿势)恢复到它的站立姿势。

而且，根据本发明，可以提供用于有腿移动式机器人的超级动作控制装置和动作控制方法，从而使该机器人可以通过扭矩相对较低的稳定动作而从地板姿势(例如仰卧姿势或俯卧姿势)恢复到它的站立姿势。