双足步行式移动装置、其步行控制器及步行控制方法.pdf

本发明提供了一种双足步行式移动装置，即使在致使站立不稳的湿地面、冰、泥地或厚地毯等路面状况下或例如因路面不规则而只有一部分足底接触地面上时也能实现步行稳定性；还提供了用于双足步行式移动装置的步行控制器和步行控制方法。步行控制器(30)包括：力传感器(23L，23R)，其检测作用在足部(14L，14R)的足底上的力，以基于步态数据驱动控制双足步行式移动装置腿部的关节部(15L、15R至20L、20R)的驱动装置；以及补偿部分(32)，其基于力传感器检测的力的水平地面反作用分量对来自步态生成部分(24)的步态数据进行修正，每个力传感器(23L，23R)包括设在分割成多部分的每个足部(14L，14R)的足底的每个分割部分上的三轴力传感器。

1.  一种双足步行式移动装置，包括：
本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；以及步行控制器，其用于基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作；
其特征在于：
所述步行控制器包括：力传感器，它们用于检测作用在各个足部的足底上的力；以及补偿部分，其用于基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。

2.  如权利要求1所述的双足步行式移动装置，其特征在于，所述本体是设有一个头部和两个手部的类人机器人的上体。

3.  如权利要求1或2所述的双足步行式移动装置，其特征在于，各个足部的所述足底均被分割成多个部分，并且每个分割部分均设有力传感器。

4.  如权利要求1至3中任一所述的双足步行式移动装置，其特征在于，设在所述每个分割部分上的所述力传感器是三轴力传感器，并且所述补偿部分基于来自各个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。

5.  如权利要求4所述的双足步行式移动装置，其特征在于，所述补偿部分可通过自动校准操作自动地校准来自各个所述力传感器的检测信号。

6.  一种用于双足步行式移动装置的步行控制器，所述双足步行式移动装置包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；以及步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；
其中，所述步行控制器基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作；
其特征在于：
所述步行控制器包括：力传感器，它们用于检测作用在各个足部的足底上的力；以及补偿部分，其用于基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。

7.  如权利要求6所述的用于双足步行式移动装置的步行控制器，其特征在于，各个足部的所述足底均被分割成多个部分，并且每个分割部分均设有力传感器。

8.  如权利要求7所述的用于双足步行式移动装置的步行控制器，其特征在于，设在所述每个分割部分上的所述力传感器是三轴力传感器，并且所述补偿部分基于来自各个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。

9.  如权利要求8所述的用于双足步行式移动装置的步行控制器，其特征在于，所述补偿部分可通过自动校准操作自动地校准来自各个所述力传感器的检测信号。

10.  一种用于双足步行式移动装置的步行控制方法，所述双足步行式移动装置包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；以及步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；
其中，所述步行控制方法基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作；
其特征在于：
在修正所述步态数据时，所述步行控制方法包括：第一步，通过力传感器检测作用在各个所述足部的足底上的力；以及第二步，基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。

11.  如权利要求10所述的用于双足步行式移动装置的步行控制方法，其特征在于，各个足部的所述足底均被分割成多个部分，并且每个分割部分均设有力传感器。

12.  如权利要求11所述的用于双足步行式移动装置的步行控制方法，其特征在于，设在所述每个分割部分上的所述力传感器是三轴力传感器，并且所述补偿部分基于来自各个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。

13.  如权利要求12所述的用于双足步行式移动装置的步行控制方法，其特征在于，所述补偿部分可通过自动校准操作自动地校准来自各个所述力传感器的检测信号。

双足步行式移动装置、其步行控制器及步行控制方法
技术领域
本发明涉及一种双足步行式移动装置，具体地讲，涉及该装置中的能够使步行稳定的步行控制器。
背景技术
传统的双足步行式机器人被设计成这样，即可生成预定的步行模式(以下称为步态)数据，根据步态数据控制步行，以及通过预定的步行模式驱动腿部，从而可实现双足步行。
然而，对于这种双足步行式机器人来说，步行姿势会由于例如路面状况或机器人自身的物理参数的误差和其他因素而变得不稳定。因此，这种双足步行式机器人在有些情况下无法使用。另一方面，如果是在实时地识别机器人的步行状态而不是使用预定的步态数据的情况下执行步行控制，就可以使步行姿势稳定，但是，即使在这种情况下，如果遇到了无法预知的路面状况或类似情况，步行姿势也会失去平衡，并使机器人无法工作。
由于这种原因，所谓的ZMP(零力矩点)补偿是必需的，在这种情况下，当每次地面反作用力和重力的合成力矩变为零时的机器人的足底上的点会在步行控制的作用下接近于目标值。ZMP补偿用的控制方法已为大家所公知，包括以下两种：一种方法描述于JP 5-305583中，其中，柔顺控制用于使ZMP接近于目标值，从而可加速机器人的上体；以及另一种方法，其中，机器人的足部正要着地的位置得到了修改。
在此，在这些控制方法中机器人的稳定化是ZMP调节的目标，并且在这种ZMP调节中，前提是机器人的每个足部均不能在地面上滑动。然而，对于这种构造的双足步行式机器人来说，在机器人的每个足底例如在可使足部姿态不稳定的诸如湿地、冰、泥或长绒毛地毯的路面上的情况下，精确ZMP补偿将变得不可能，并且机器人的稳定性得不到保持，从而，会使其双足步行变得非常困难。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种双足步行式移动装置、其步行控制器以及用于此的步行控制方法，以便即使在可使足底滑动的不稳路面上也能实现步行稳定性。
上述目的可根据本发明的第一个方面而实现，该方面提供了一种双足步行式移动装置，其包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使所述腿部、膝部和足部转动；步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；以及步行控制器，其用于基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作。其特征在于，所述步行控制器包括：力传感器，它们用于检测作用在各个足部的足底上的力；以及补偿部分，其用于基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。
根据本发明的双足步行式移动装置优选设有所述本体，所述本体是类人机器人的上体，并且连接有一个头部和两个手部，而且其每个足部的足底均被分割成多个部分，每个分割部分均设有力传感器。根据本发明的双足步行式移动装置优选是这样的，即设在所述每个分割部分上的力传感器是三轴力传感器，并且，所述补偿部分基于来自每个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。所述补偿部分优选通过自动校准操作自动地校准来自每个所述力传感器的检测信号。
上述目的还可根据本发明的第二个方面而实现，该方面提供了一种双足步行式移动装置的步行控制器，所述双足步行式移动装置包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；以及步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；其中，所述步行控制器基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作。其特征在于，所述步行控制器包括：力传感器，它们用于检测作用在各个足部的足底上的力；以及补偿部分，其用于基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。
根据本发明地双足步行式移动装置的步行控制器优选是这样的，即其每个足部的所述足底均被分割成多个部分，并且每个分割部分均设有力传感器。设在所述每个分割部分上的力传感器优选是三轴力传感器，并且所述补偿部分基于来自每个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。所述补偿部分优选通过自动校准操作自动地校准来自每个所述力传感器的检测信号。
上述目的还可根据本发明的第三个方面而实现，该方面提供了一种双足步行式移动装置的步行控制方法，所述双足步行式移动装置包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；驱动装置，其用于使各个腿部、膝部和足部转动；以及步态生成部分，其用于响应动作命令生成步态数据，所述步态数据包括目标角度轨迹数据、目标角速度数据和目标角加速度数据；其中，所述步行控制方法基于所述步态数据控制所述驱动装置的各个驱动动作。其特征在于，所述步行控制方法包括：第一步，通过力传感器检测作用在各个所述足部的足底上的力；以及第二步，基于由所述力传感器检测到的所述力中的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的所述步态数据进行修正。
根据本发明的双足步行式移动装置的步行控制方法优选是这样的，即其每个足部的所述足底均被分割成多个部分，并且每个分割部分均设有力传感器。设在所述每个分割部分上的力传感器优选是三轴力传感器，并且，所述补偿部分基于来自每个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力。所述补偿部分优选通过自动校准操作自动地校准来自每个所述力传感器的检测信号。
根据上述方面，所述驱动装置可由所述补偿部分基于设在每个所述足部的足底上的所述力传感器检测的水平地面反作用力对来自所述步态生成部分的步态数据进行调节而得到驱动控制。因此，当机器人接触可使机器人的足部的每个足底滑动的地面上时，本体优选机器人的上体的稳定化是基于由足底和地面之间的摩擦力产生的水平地面反作用力调节所述步态数据的目标。通过该过程，即使在例如可使机器人的足部的每个足底滑动的诸如使足部姿态不稳定的湿地、冰、泥或长绒毛地毯的路面上的情况下，也能够保持机器人的稳定性，从而，可使可靠的步行控制成为可能。
在每个足部的足底均被分割成多个部分且所述每个分割部分均设有力传感器的情况下，由于水平地面反作用力能够总体上由设在每个所述分割部分上的所述力传感器检测到，因此，在机器人的每个所述足部处于着地状态时，作用于分别设在每个所述分割部分上的每个所述力传感器上的力是分散的。从而，能够使用小和轻质的力传感器，进而能够降低成本。而且，由于每个所述力传感器的分辨率因作用在其上的力分散而得到了提高，因此，为获得相同的分辨率，能够使用低质量和低成本的AD转换器对每个所述力传感器的检测信号进行AD转换。
此外，在机器人的每个足部仅有一部分位于地面上的情况下，水平地面反作用力也能够得到可靠地检测。因此，机器人的稳定性能够得到保持，从而，即使在机器人的每个足部的足底由于例如地面粗糙而只有一部分与地面接触时，也可以使可靠的步行控制成为可能。
在设在所述每个分割部分上的力传感器是三轴力传感器且所述补偿部分基于来自每个所述力传感器的检测信号计算六轴方向上的力的情况下，由于六轴方向上的力能够由至少两个三轴力传感器计算得出，因此，六轴方向上的力能够通过分别在每个分割部分上以与六轴力传感器相似的方式使用较便宜的三轴力传感器得到检测，从而能够降低成本。
在所述补偿部分通过自动校准操作自动地校准来自每个所述力传感器的检测信号的情况下，即使单个力传感器的检测精度可能会受到周围温度或老化损坏的影响而发生改变，水平地面反作用力也能够通过来自每个所述力传感器的检测信号得到准确地检测。
附图说明
通过以下详细的描述和示出了本发明实施例的某些示例性形式的附图，可使本发明被更好地理解。在这点上，应当指出，这些附图中示出的实施例的这些形式决不是用于限制本发明，而是用于有利于本发明的说明和理解。附图包括：
图1是示意图，图中示出了作为本发明实施例的一种形式的根据本发明的双足步行式机器人的机械构成；
图2是框图，图中示出了图1中所示的双足步行式机器人的电气系统；
图3是示意性透视图，图中示出了设在图1中所示的双足步行式机器人的每个足部的足底上的力传感器的构成，其中，图(A)是从上侧所视的透视图，图(B)是从下侧所视的透视图；
图4是示意性透视图，图中示出了组成图3中所示的所述力传感器的每个三轴力传感器的构成，其中，图(A)是从上侧所视的透视图，图(B)是从下侧所视的透视图；
图5是示出了图4中所示的每个三轴力传感器的位置及力测量的原点的图；以及
图6是示出了图1中所示的双足步行式机器人的步行控制动作的流程图。
具体实施方式
下面，参看附图中所示的本发明实施例的合适形式来详细地描述本发明。
图1和图2示出了应用了根据本发明的双足步行式移动装置的双足步行式机器人的实施例的构成。参看图1，双足步行式机器人10包含作为本体11的上体，所述上体11的下部的两侧具有一对连接在其上的腿部13L和13R，每个所述腿部在其中间部位具有膝部12L、12R，并且具有连接在其下端上的足部14L、14R。
在此，每个腿部13L、13R分别具有六个关节部，即从上至下依次为：用于使腰段中的腿部相对于上体11旋转(绕z轴)的关节部15L和15R、用于腰段的横摆运动(绕x轴)的关节部16L和16R、用于腰段的俯仰运动(绕y轴)的关节部17L和17R、用于膝部12L和12R的俯仰运动的关节部18L和18R、用于使踝部相对于足部14L和14R俯仰运动的关节部19L和19R以及用于踝部的横摆运动的关节部20L和20R。而且，每个关节部15L、15R至20L、20R均设有关节驱动电机。因此，腰关节包括关节部15L、15R、16L、16R、17L和17R，足关节包括关节部19L、19R、20L和20R。
此外，腰关节和膝关节之间由大腿连杆21L、21R连接着，膝关节和足关节之间由小腿连杆22L、22R连接着。因此，在双足步行式机器人10的左右两侧上的腿部13L、13R和足部14L、14R分别具有六个自由度，并且通过在步行过程中使用相应的驱动电机驱动控制这十二个关节部使它们转动合适的角度，以及通过给予所有腿部13L、13R和足部14L、14R预期动作，可使所述双足步行式机器人10构造成能够在三维空间中随意步行。
此外，足部14L、14R在足底(底表面)设有传感器23L、23R。如后文所述，传感器23L、23R检测相应足部14L、14R处的力，特别是水平地面反作用力。在此，上体11仅被示为箱体状，但实际上其可以设有头部和两只手。
图2示出了图1中所示的双足步行式机器人10的电气系统。在图2中，双足步行式机器人10设有用于响应动作命令生成步态数据的步态生成部分24和用于基于步态数据控制各个驱动装置即上述各个关节部也即关节驱动电机15L、15R至20L、20R的驱动动作的步行控制器30。在此，使用xyz坐标系作为双足步行式机器人10的坐标系，所述坐标系具有为前后方向(前侧为+)的x方向、为水平横向(内侧为+)的y方向以及为上下方向(上侧为+)的z方向。步态生成部分24可响应从外部输入的目标动作生成步态数据。所述步态数据包括双足步行式机器人10步行所需的各个关节部15L、15R至20L、20R的目标角度轨迹、目标角速度和目标角加速度。
步行控制器30包括角度测量单元31、补偿部分32、控制部分33以及电机控制单元34。角度测量单元31通过输入各个关节驱动电机的角度信息来测量各个关节驱动电机的角度位置即关于角度和角速度的状态矢量φ，然后再输出至补偿部分32，其中，所述角度信息来自于设在各个关节部15L、15R至20L、20R的关节驱动电机中的旋转编码器或类似装置。补偿部分32基于来自力传感器23L、23R的检测输出信号计算出水平地面反作用力F，并基于水平地面反作用力F和来自角度测量单元31的状态矢量φ对来自步态生成部分24的步态数据进行修正，从而可将矢量θ_i(i＝1至n，其中，n是关于机器人10的步行的自由度)输出至控制部分33。控制部分33基于通过将矢量θ_i与机器人的各个关节部的角矢量θ₀相减得到的矢量(θ_i-θ₀)生成各个关节驱动电机的控制信号，即扭矩矢量τ，其中，矢量θ_i为由补偿部分32修正的步态数据。此外，电机控制单元34根据来自控制部分33的控制信号(扭矩矢量τ)来控制各个关节驱动电机的驱动动作。
由于力传感器23L、23R呈左右对称构造而成，因此，在此仅参看图3描述了力传感器23L。在图3中，力传感器23L包括六个力传感器36a、36b、36c、36d、36e和36f，并且其是通过水平分割部分，即在底板3 5的底部上沿x方向和y方向分别具有的三个和两个分割部分而构成的，其中，所述底板35为足部14L的底面。由于每个力传感器36a、36b、3 6c、36d、36e和36f具有同样的结构，因此参看图4仅描述了力传感器36a。
在图4中，力传感器36a是设在上足底37和下足底38之间的三轴力传感器，其用于检测当足部14L着地时从地面所接收到的力。下足底38被支承成可以力传感器36a的传感器轴线为中心以转动方式向着前后左右移动，并且被设计成能够通过转动在所有方向上着地。在此，在这种情况下，力传感器23L和23R分别被分割成六个分割部分，但这种情况不应局限于此，其可在各个足部14L、14R的跟部两侧和趾部两侧上至少具有四个分割部分，或者可以分割成七个或更多个分割部分。而且，图中每个力传感器36a至36f在足底上呈行布置，但这种情况不应局限于此，其可以任意布置。从而，当机器人10步行时，冲击能够通过从足部14L、14R的跟部着地而由每个三轴力传感器吸收。
在此，一般而言，如果四个或更多个力传感器被布置在同一平面上，几何学上不可能使所有力传感器均处于着地状态并使每个力传感器均能检测力，因此，多于四个的那些力传感器认为是多余的。但是，在这种情况下，由于每个分割部分彼此分割开来，因此所有力传感器36a至36f均能够着地，并且均能够检测力，而没有多余的力传感器。从而，由于足部14L、14R落到地面上的力分散和作用于每个力传感器36a至36f，因此能够使用小和轻质的力传感器，进而每个力传感器36a至36f的成本能够得到降低。而且，由于作用于每个力传感器36a至36f的力变小，从而分辨率能够得到提高。因此，为获得相同的分辨率，能够使用较低质量和低成本的AD转换器对来自每个力传感器36a至36f的信号进行AD转换，从而AD转换器的成本能够得到降低。
在此，上述力传感器36a至36f是三轴力传感器，并且，通过使用两个或更多个三轴力传感器能够计算出六轴方向上的力。下面，参看图5描述由数目通常为n的三轴力传感器计算六轴方向上的力。
在图5中，n个三轴力传感器S1、S2、S3、…、Sn相对于力测量的原点O(O_X，O_Y)布置在足底上。在这种关系中，力测量的原点O优选较好地与例如足关节的驱动坐标系相一致。
在此，如果每个三轴力传感器Si的位置被假定为Si＝(X(i)，Y(i))，则可分别如下方程所示给出六轴方向的力。换言之，各个方向的力F_X、F_Y、F_Z为
F X = Σ i = 1 n f X ( i ) - - - ( 1 ) ]]>
F Y = Σ i = 1 n f Y ( i ) - - - ( 2 ) ]]>
F Z = Σ i = 1 n f Z ( i ) - - - ( 3 ) ]]>
以及各个方向的扭矩T_X、T_Y、T_Z为
T X = Σ i = 1 n f Z ( i ) · ( Y ( i ) - O Y ) - - - ( 4 ) ]]>
T Y = Σ i = 1 n f Z ( i ) · ( X ( i ) - O X ) - - - ( 5 ) ]]>
T Z = Σ i = 1 n ( f Y ( i ) · cos α + f X ( i ) · sin α ) ( X ( i ) - O X ) 2 + ( Y ( i ) - O Y ) 2 - - - ( 6 ) ]]>
其中，方程(6)中的α为：
α = a tan ( X ( i ) - O X Y ( i ) - O Y ) - - - ( 7 ) ]]>
这样，由设在补偿部分32内的计算电路基于各个三轴力传感器36a至36f的检测输出信号进行计算，从而可检测出六轴方向的力。
此外，由这些六轴方向的力可将水平地面反作用力F表示为由地面和机器人10的足底的摩擦所产生的水平力的合力，换言之，水平地面反作用力F可表示为X、Y方向上的力F_X和F_Y的合力，并且，其矢量F_C和其幅值|F_C|为
F C = F X F Y , | F C | = F X 2 + F Y 2 - - - ( 8 ) ]]>
在此，每个三轴力传感器36a至36f的各个检测输出信号均存在波动，并且，检测输出信号是由于周围温度或长期变化而波动的。因此，来自各个三轴力传感器36a至36f的检测输出信号在补偿部分32中可通过以下描述的自动校准操作得到自动校准。
首先，描述z轴方向上的校准。
在以如上所述的方式分散和布置的三轴力传感器S1至Sn中，选择任意三个三轴力传感器，例如S1、S2和S3，并假定这些传感器的坐标位置分别为：S1＝X(1)，Y(1)，Z(1)；S2＝X(2)，Y(2)，Z(2)；S2＝X(3)，Y(3)，Z(3)。保持三点支承状态，以使只有这些三轴力传感器S1至S3承受着机器人的全部载荷，如图5(B)所示，在这些传感器之中的任意两个三轴力传感器例如S1和S2之间画一条直线，并且假定从剩余一个三轴力传感器S3的垂直线与这条直线的交点为C。
在此，以静态方式将驱动目标的重心位置从S3移动至垂直线上的C，并在那时测量由S1至S3输出的电压值。在这种情况下，移动过程中测量点越多，就能获得越准确的校准。
假定f为测量力，A、B为校准参数，V为那时的电压值，M为驱动目标的总质量，g为重力加速度，k为测量点，则可获得以下的方程。

f_z(1)k+f_z(2)k+f_z(3)k＝Mg    (10)
f_z(1)k＝f_z(2)k                  (11)以及

假设此时V、M和Y已知，作为f的联立方程求解这些方程，并将结果代入下面的方程(13)中，并且直线F/V的期望斜率A和截距B能够同时得到。而且，校准的修正参数能够通过执行n次测量算出。
Σ k = 0 n 1 Σ k = 0 n V z ( i ) k Σ k = 0 n V z ( i ) k Σ k = 0 n V z ( i ) k 2 B z ( i ) A z ( i ) = Σ k = 0 n f z ( i ) k Σ k = 0 n V z ( i ) k f z ( i ) k - - - ( 13 ) ]]>
这样，就可完成对上述三个三轴力传感器S1至S3的z轴方向上的校准。并且，在所有三轴力传感器的z轴方向上的所有校准操作能够通过以下方法执行：选择其他三个三轴力传感器，以相似方式重复计算修正参数，以及计算出所有三轴力传感器的修正参数。
下面，进一步地描述XY轴上的校准方法。
在分散和布置的三轴力传感器S1至Sn之中，选择任意两个三轴力传感器例如S1、S2，并且通过利用机器人的上体11或相反侧上的腿部13L或13R产生绕着z轴的力矩m。在此，作用在三轴力传感器S1、S2上的力矩m和力F1、F2能够表示为F1＝F2及下面的方程(14)。
m = F 1 · ( X ( 1 ) - X ( 2 ) ) 2 + ( Y ( 1 ) - Y ( 2 ) ) 2 - - - ( 14 ) ]]>
因此，能够计算出作用在单个三轴力传感器S1、S2上的力F1、F2，并且它们的X、Y分量可表示为以下方程(15)。

其中， θ = a tan ( X ( 2 ) - X ( 1 ) Y ( 2 ) - Y ( 1 ) ) ]]>
另一方面，从各个三轴力传感器S1、S2输出的电压V与力f_x、f_y之间的关系可表示为以下方程(16)，其中，测量次数表示为k。

将这些方程用作联立方程，并测量n次，能够获得以下行列式，并且能够计算出修正参数A、B。
Σ k = 0 n 1 Σ k = 0 n V z ( i ) k Σ k = 0 n V x ( i ) k Σ k = 0 n V x ( i ) k 2 B x ( i ) A x ( i ) = Σ k = 0 n f x ( i ) k Σ k = 0 n V x ( i ) k f x ( i ) k - - - ( 17 ) ]]>
Σ 1 Σ V y ( i ) k Σ V y ( i ) k ΣV y ( i ) k 2 B y ( i ) A y ( i ) = Σ k = 0 n f y ( i ) k Σ k = 0 n V y ( i ) k f y ( i ) k - - - ( 18 ) ]]>
从而，XY轴方向上的校准能够通过同时计算X和Y轴方向上的修正参数执行。
根据本发明实施例的双足步行式机器人10如上所述构造而成，并且其步行动作通过以下描述的图6中所示的流程图进行。
在图6中，在步骤ST1，步态生成部分24基于输入的所要求的动作(J＝J)生成步态数据，并将其输出至步行控制器30的补偿部分32。在步骤ST2，连接在两个足部14L、14R上的力传感器23L、23R分别检测力，并输出至补偿部分32。在步骤ST3，角度测量单元31测量各个关节部16L、16R至20L、20R的状态矢量φ，并输出至补偿部分32。在紧接着这些过程之后的步骤ST4，补偿部分32基于来自力传感器23L、23R的检测输出信号计算出水平地面反作用力F。在步骤ST5，补偿部分32基于该水平地面反作用力F和来自角度测量单元31的各个关节部16L、16R至20L、20R的状态矢量φ对步态数据进行修正，并将矢量θ_i输出至控制部分33。
接着在步骤ST6，控制部分33将矢量θ_i与机器人的各个关节部中的角矢量θ₀相减，并且基于矢量(θ_i-θ₀)生成控制信号即各个关节驱动电机的扭矩矢量τ，然后输出至电机控制单元34。在步骤ST7，电机控制单元34基于该扭矩矢量τ驱动控制各个关节部的关节驱动电机。从而，双足步行式机器人10可响应于动作命令执行步行动作。
在其之后的步骤ST8，控制部分33通过动作计数器的递增设置J＝J+1，并等待预定的采样时间，在步骤ST9，如果所述J小于预定的动作终止计数值，则通过返回步骤2重复上述动作。在步骤ST9，如果所述J超出了动作终止计数值，则停止动作。
在这种情况下，当对各个关节驱动电机进行驱动控制时，双足步行式机器人10用的步态数据由补偿部分32基于来自设在各个足部14L、14R的足底上的力传感器23L、23R的水平地面反作用力F进行修正，并且，通过使用该水平地面反作用力F对矢量θ_i的生成进行调节，可以获得机器人10的稳定性。这样，当机器人10的各个足部14L、14R落在例如使足底滑动的地面上时，由于设在足底上的力传感器23L、23R能够检测到水平地面反作用力F，因此，可以确定地执行与所要求的动作对应的步行动作。从而，根据本发明的双足步行式机器人10，即使在通过具有传统的ZMP调节的步行控制也很难步行的路面状况下，例如，在诸如可使足部姿态不稳定的湿地、冰、泥或长绒毛地毯的路面上，步行动作也能够得到保证，同时可保持稳定的状态。
此外，由于设在各个足部14L、14R的足底上的用于检测水平地面反作用力F的力传感器23L、23R由设在分割的六个部分中的每个部分上的三轴力传感器36a至36f构成，因此，当使每个足部14L、14R处于着地状态时，作用于设在每个分割部分上的每个三轴力传感器36a至36f的力是分散的，从而，小和轻质的传感器能够用作单个三轴力传感器36a至36f，并且能够降低成本。
而且，由于每个三轴力传感器3 6a至36f因作用在其上的力分散而使分辨率得到了提高，因此，为获得相同的分辨率，能够使用低质量和低成本的AD转换器对来自每个三轴力传感器36a至36f的检测信号进行AD转换。从而，能够降低总成本。
另外，在每个足部14L、14R仅有一部分位于地面上的情况下，水平地面反作用力也能够得到可靠地检测。因此，机器人的稳定性能够得到保持，从而，即使在机器人的每个足部的足底由于地面粗糙而仅有一部分与地面接触时，也可以实现可靠的步行控制。
因此，根据本发明实施例的双足步行式机器人10，通过基于水平地面反作用力F对步态数据进行修正，可以使用由足底与地面之间的摩擦产生的水平地面反作用力F执行步行控制，从而，即使在可使足底滑动的路面状况下，机器人10的步行稳定性也能够得到实现，其中，水平地面反作用力F由来自设在各个足部14L、14R的足底上的力传感器23L、23R即分别设在分割成多个部分的足底上的三轴力传感器36a至36f的检测信号计算得出。
尽管，前面对实施例说明的描述由本发明在一种双足步行式机器人上的应用构成，但显而易见，本发明可适用于具有由两腿支持并且可与这两腿一同步行的其它各种部件的任何双足步行式移动装置。
根据如上所述的本发明，由于来自步态生成部分的步态数据由补偿部分基于设在各个足部的足底上的力传感器所检测到的水平地面反作用力进行了修正，并且驱动装置得到了驱动控制，因此，即使在例如可使足部姿态不稳定的诸如湿地、冰、泥或长绒毛地毯的路面状况下，或在机器人的各个足部的足底由于例如地面的粗糙而仅有一部分与地面接触的情况下，机器人的稳定性也能够得到保持，并且可使可靠的步行控制成为可能，从而，提供了一种极好的双足步行式移动装置、其步行控制器及步行控制方法。