[发明专利]机器人设备及其控制方法、以及计算机程序

说明书

技术领域

本发明总体涉及具有轮子移动机构的机器人设备、用于控制机器人设 备的方法、以及计算机程序，并具体而言涉及具有诸如相对二轮型之类具 有不允许沿横向的平移运动的非完整约束的轮子移动机构的机器人设备、 该机器人设备的控制方法、以及计算机程序。

具体而言，本发明涉及具有轮子移动机构(其具有相对于上体的非完 整约束)的机器人设备、控制机器人设备的方法、以及计算机程序。具体 而言，本发明涉及与包括轮子移动机构(其具有相对于上体的非完整约 束)的整个机体进行协作来执行力控制的机器人设备、机器人设备的控制 方法、以及计算机程序。

背景技术

伴随着社会的迅速老龄化，老龄居民相对于负担其的人口的比率在目 前为1∶3.3(2005年)，并预计在2015年达到1∶2.4，并在2025年达到 1∶2.1。建立老龄居民(如上所述，其相对于人口构成的比率将迅速增 加)能够无需护理便可有效地生活、并且即使需要护理也可尽量避免其状 态恶化由此能够自立营生的社会是非常急迫的问题。

伴随着迅速老龄化的社会，在老人护理中心及有老龄居民的家中，急 需旨在从精神及身体方面对老龄居民提供帮助的机电一体化装置。此外， 还需要其他可镶入式身体支持，例如自主行走辅助装置及用于上肢的力量 辅助，以及代理式身体支持装置，例如自主移动以搬运地板上的物体并进 行清洁的装置。

例如，机器人的移动分为腿移动式或轮子式。腿移动式机器人适用于 在运行路径上较为粗糙的行进表面(例如粗糙地形或障碍物)，以及非连 续行进表面(例如上下楼梯或梯子)，由此实现灵活的移动运行。但是， 腿移动式机器人存在以下问题，例如过多的关节数量会提高成本、姿态不 稳定、并且行进控制较为困难。例如，当机器人倾倒时，机器人可能会伤 害到需要护理的行动不便的人员。相反，轮式机器人具有更少量的关节， 由此成本较低，并且姿态稳定，较少担心其倾倒。

轮子式移动机构可大体分为全方向式及非完整式。“非完整”(non- holonomic)例如指“动力学系统的约束条件不完整”，“存在漂移”，并 且“可以控制超过输入数量的坐标”。非完整式移动机构被构造成简单结 构，例如相对的两个轮子。尽管移动机构难以直接地沿横向(左右)即刻 前进，但可以低成本制造该移动机构。例如，相对二轮式轮子移动机构被 用于多种移动机器人作为实用的移动机构(例如，参考日本未审查专利申 请公开号2007-257200以及Yasuhisa Hirata，Kazuhiro Kosuge，Hajime Asama，Hayato Kaetsu和Kuniaki Kawabata所著“Transportation of a Single Object by Multiple Distributed Robot Helpers with Caster-like Dynamics(DR Helpers)in Cooperation with a Human”，见于Journal of the Robotics Society of Japan，Vol.21，No.7，pp.776-784，2003)。

当主要用于上述身体支持时，机电一体化装置进行运转以灵活并安全 地与人及复杂环境进行物理接触。换言之，与过去工业用机器人在熟悉环 境下执行固定操作的情况不同，该机电一体化装置通过感知陌生环境并从 随时间而改变的周围环境获得合适的外力来适当地调节致动器的产生力， 由此完成目标操作(任务)。此外，对于会作用于主体各个部分的陌生干 扰，期望可满足安全性的灵活反应。

过去，大部分机器人均是位置控制式，即向关节驱动致动器发出角度 命令值以驱动关节来遵循命令值。位置控制式机器人易于控制，但不能适 用包含力或加速度命令的“软”控制。相反，力控制式机器人直接控制关 节产生力以直接控制力，由此能够提供包含力命令的更灵活的人体交互服 务。