Procedimiento para controlar la marcha de un robot móvil y robot que implementa el procedimiento.

Procedimiento de control de la marcha de un robot adecuado para desplazarse sobre al menos dos miembrossobre una superficie de progresión,

comprendiendo dicho procedimiento, para cada paso, al menos una primeraetapa de movimiento de cada una de las caderas sobre una trayectoria, sensiblemente esférica (200, 200', 200'',200''') centrada sobre la extremidad en apoyo en el suelo (210; 210'), del miembro unido a dicha cadera y unasegunda etapa de movimiento de dicha extremidad hacia un nuevo punto de apoyo, estando dicho procedimientocaracterizado porque comprende además una etapa de cálculo de una posición del nuevo punto de apoyo de dichaextremidad sobre la superficie de progresión en función de la velocidad del centro de masas del robot.

Procedimiento para controlar la marcha de un robot móvil y robot que implementa el procedimiento La presente invención pertenece al dominio de los sistemas de programación de los robots. Más precisamente, se aplica al control de la marcha y de la carrera de robots, particularmente de forma humana o animal, que se desplazan sobre unos miembros articulados o no. Un robot puede ser calificado de humanoide a partir del momento en que posee ciertos atributos de apariencia y funcionalidades del hombre: una cabeza, un tronco, dos brazos, eventualmente dos manos, dos piernas, dos pies... Desde el siglo XVII, la marcha se ha modelizado como la progresión de un compás con las piernas separadas por un paso fijo que se desplazan en una dirección dada (Borelli G., 1685, De motiu animalium, Vol. 1, Leiden, Holanda, Lugduni) . Otra imagen frecuentemente empleada es la del doble péndulo inverso en la que los dos pies constituyen unos puntos que se desplazan alrededor de los que oscilan los puntos superiores de la unión de las dos piernas articuladas a dichas caderas, describiendo unos arcos en la dirección general de la marcha.

Más recientemente, unos trabajos teóricos han buscado fusionar los principios de la modelización de la marcha anteriormente recordados con los de la modelización de la carrera en los que el comportamiento de cada pierna se asimila al de un resorte de coeficiente de extensión y de longitud en reposo dados.

Estos conceptos no han podido sin embargo ser aplicados con éxito para controlar el desplazamiento de robots durante un periodo largo. Una de las razones de esta incapacidad es probablemente que el principio del péndulo inverso no ha sido aplicado de modo útil hasta la actualidad más que a los objetos a los que una fuente exterior suministraba la energía cinética suficiente para asegurar la progresión hacia adelante, más allá de algunos pasos. La motorización de las caderas no es suficiente en efecto, salvo excepción tal como la de un robot patinador sobre hielo, para comunicar a un robot una energía suficiente para compensar las pérdidas ligadas a los rozamientos de los pies sobre el suelo.

La mayor parte de los diseñadores de robots articulados sobre unos miembros, particularmente las empresas japonesas tales como Honda y Sony, han hecho uso para el control de la marcha de modos de realización variados de un concepto central bautizado “Zero Moment Point” o ZMP. Según este concepto, se determina inicialmente la trayectoria que debe tener el ZMP en una referencia ligada al suelo para satisfacer las condiciones de equilibrio dinámico a todo lo largo de una trayectoria planificada en función de los objetivos de dirección y de velocidad de la marcha. Después se calculan las posiciones de las terminaciones y articulaciones del robot en la misma referencia ligada al suelo en cada instante mediante transformación inversa de las ecuaciones que determinan las posiciones respectivas del ZMP y de dichas terminaciones y articulaciones. Este enfoque presenta particularmente los inconvenientes siguientes: i) supone un conocimiento de la topografía del suelo que permita colocar en todo momento el ZMP y los puntos útiles del robot en una referencia ligada al suelo; ii) necesita un cálculo completo de planificación de la trayectoria, lo que es muy exigente en potencia de cálculo. Se han propuesto diferentes mejoras del concepto de base al cabo de los años para limitar los inconvenientes de este enfoque, pero, a día de hoy, ninguna mejora ha permitido suprimirlas totalmente.

Es precisamente uno de los objetivos de la presente invención resolver este problema suprimiendo la referencia al ZMP, y combinando un modelo de la marcha controlado por los desplazamientos balísticos de las caderas con un suministro de energía cinética al robot mediante la activación del talón, en un enfoque más eficaz porque éste modeliza mejor la marcha real.

El artículo “Energetic Consequences of Walking Like an Inverted Pendulum: Step-to-Step Transitions” de Arthur D.kuo, J. Maxwell Donelan y Andy Ruina divulga un procedimiento de control de la marcha de un robot de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 de la presente invención. Este procedimiento no permite, sin embargo, paliar los inconvenientes citados anteriormente.

Con este fin, la presente invención divulga un procedimiento de control de la marcha de un robot adecuado para desplazarse sobre al menos dos miembros sobre una superficie de progresión, comprendiendo dicho procedimiento, para cada paso, al menos una primera etapa de movimiento de cada una de las caderas sobre una trayectoria sensiblemente esférica centrada sobre la extremidad en apoyo sobre el suelo del miembro unido a dicha cadera y una segunda etapa de movimiento de dicha extremidad hacia un nuevo punto de apoyo, estando caracterizado dicho procedimiento porque comprende además una etapa de cálculo de una posición del nuevo punto de apoyo de dicha extremidad sobre la superficie de progresión en función de la velocidad del centro de masas del robot.

Ventajosamente, el procedimiento de la invención comprende además otra etapa intermedia entre dichas primera y segunda etapa, en el curso de la que el alargamiento entre la extremidad del miembro en apoyo en el suelo y dicha cadera se incrementa en un valor tal que el segmento que une la posición de dicha cadera al final de una trayectoria esférica a la posición de la segunda cadera al comienzo de la trayectoria esférica siguiente es sensiblemente paralelo a la superficie de progresión.

Ventajosamente, el eje del tórax del robot está controlado para permanecer en un ángulo sensiblemente constante con la vertical.

Ventajosamente el eje de las caderas está controlado en función de la dirección de la marcha.

Ventajosamente, el incremento del alargamiento entre la extremidad del miembro en apoyo sobre el suelo y dicha cadera se proporciona mediante un impulso de dicha extremidad sobre el suelo desencadenado mediante un control en inclinación de una articulación del tobillo prevista en dicho miembro.

Ventajosamente, el incremento del alargamiento entre la extremidad del miembro en apoyo sobre el suelo y dicha cadera se proporciona mediante un impulso de dicha extremidad sobre el suelo desencadenada por un control de la articulación de la rodilla.

Ventajosamente, el incremento del alargamiento entre la extremidad del miembro en apoyo sobre el suelo y dicha cadera se proporciona mediante un impulso de dicha extremidad sobre el suelo desencadenada por un control de un émbolo en la pierna, paralelo a esta última.

Ventajosamente, los impulsos del talón se desencadenan cuando la dirección de la pierna tiene un ángulo con relación a la vertical superior a un ángulo limitado que depende de la velocidad del COM y de una consigna de velocidad de la marcha.

Ventajosamente, la articulación motorizada que permite el impulso está controlada por una pendiente de velocidad, función de la aceleración límite del motor y de la relación de la velocidad del centro de masas a la consigna de velocidad de la marcha.

Ventajosamente, la carrera del pie en la dirección de la marcha depende de variables elegidas en el grupo que comprende la posición del centro de masas en la misma dirección, la longitud del miembro, la longitud del pie y la velocidad del centro de masas en la dirección de marcha. Ventajosamente, la carrera del pie perpendicular a la dirección de la marcha depende de variables elegidas entre el grupo que comprende la posición del centro de masas en la misma dirección, la consigna de dirección de marcha, la longitud de la cadera, la velocidad en la dirección perpendicular a la dirección de la marcha y la consigna de velocidad de marcha.

Ventajosamente, al menos un miembro es adecuado para ser controlado para realizar un movimiento de desaceleración antes de que su extremidad toque la superficie de progresión.

La invención divulga igualmente un robot adecuado para desplazarse sobre una superficie de progresión sobre al menos dos miembros, comprendiendo dicho robot al menos un módulo adecuado para generar para cada paso un movimiento de cada una de las caderas sobre una trayectoria sensiblemente esférica centrada sobre la extremidad en apoyo sobre el suelo del miembro unido a dicha cadera y un módulo adecuado para generar un movimiento de dicha extremidad hacia un nuevo punto de apoyo, estando caracterizado dicho robot porque comprende además un módulo para calcular una posición del nuevo punto de apoyo de dicha extremidad sobre la superficie de progresión en función de la velocidad del centro de masas del robot.

Ventajosamente, al menos uno de los miembros comprende un émbolo cuyo eje es paralelo al eje de... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de control de la marcha de un robot adecuado para desplazarse sobre al menos dos miembros sobre una superficie de progresión, comprendiendo dicho procedimiento, para cada paso, al menos una primera etapa de movimiento de cada una de las caderas sobre una trayectoria, sensiblemente esférica (200, 200’, 200’’, 200’’’) centrada sobre la extremidad en apoyo en el suelo (210; 210’) , del miembro unido a dicha cadera y una segunda etapa de movimiento de dicha extremidad hacia un nuevo punto de apoyo, estando dicho procedimiento caracterizado porque comprende además una etapa de cálculo de una posición del nuevo punto de apoyo de dicha extremidad sobre la superficie de progresión en función de la velocidad del centro de masas del robot.

2. Procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además otra etapa intermedia entre dichas primera y segunda etapa, en el curso de la cual el alargamiento entre la extremidad del miembro en apoyo en el suelo y dicha cadera (210, 200’) se incrementa en un valor tal que el segmento (200’, 200’’) que une la posición de dicha cadera al final de una trayectoria esférica a la posición de la segunda cadera al comienzo de la trayectoria esférica siguiente, es sensiblemente paralelo a la superficie de progresión.

3. Procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el eje del tórax del robot está controlado para permanecer en un ángulo sensiblemente constante con la vertical.

4. Procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el eje de las caderas está controlado en función de la dirección de la marcha.

5. Procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el incremento del alargamiento entre la extremidad del miembro en apoyo sobre el suelo y dicha cadera (210, 200’) es proporcionado mediante un impulso de dicha extremidad sobre el suelo, desencadenado mediante un control en inclinación de una articulación del tobillo prevista en dicho miembro.

6. Procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el incremento del alargamiento entre la extremidad del miembro en apoyo sobre el suelo y dicha cadera (210, 200’) es proporcionado mediante un impulso de dicha extremidad sobre el suelo, desencadenado por un control de la articulación de la rodilla.

7. Procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el incremento del alargamiento entre la extremidad del miembro en apoyo sobre el suelo y dicha cadera (210, 200’) es proporcionado mediante un impulso de dicha extremidad sobre el suelo, desencadenado por un control de un émbolo en la pierna, paralelo a esta última.

8. Procedimiento de control de acuerdo con una de las reivindicaciones 5, 6 ó 7, caracterizado porque los impulsos del talón se desencadenan cuando la dirección de la pierna tiene un ángulo con relación a la vertical superior a un ángulo limite que depende de la velocidad del COM y de una consigna de velocidad de la marcha.

9. Procedimiento de control de acuerdo con una de las reivindicaciones 5, 6 ó 7, caracterizado porque la articulación motorizada que permite el impulso está controlada por una pendiente de velocidad función de la aceleración límite del motor y de la relación de la velocidad del centro de masas a la consigna de velocidad de la marcha.

10. Procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la carrera del pie en la dirección de la marcha depende de variables elegidas entre el grupo que comprende la posición del centro de masas en la misma dirección, la longitud del miembro, la longitud del pie y la velocidad del centro de masas en la dirección de marcha.

11. Procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la carrera del pie perpendicular a la dirección de la marcha depende de variables elegidas entre el grupo que comprende la posición del centro de masas en la misma dirección, la consigna de dirección de marcha, la longitud de la cadera, la velocidad en la dirección perpendicular a la dirección de la marcha y la consigna de velocidad de marcha.

12. Procedimiento de control de acuerdo con una de las reivindicaciones 5, 6 ó 7, caracterizado porque al menos un miembro está adecuado para ser controlado para realizar un movimiento de desaceleración antes de que su extremidad toque la superficie de progresión.

13. Robot adecuado para desplazarse sobre una superficie de progresión sobre al menos dos miembros, comprendiendo dicho robot al menos un módulo adecuado para generar para cada paso un movimiento de cada una de las caderas sobre una trayectoria sensiblemente esférica (200, 200’; 200’’, 200’’’) centrada sobre la extremidad en apoyo sobre el suelo (210; 210’) del miembro unido a dicha cadera y un módulo adecuado para generar un movimiento de dicha extremidad hacia un nuevo punto de apoyo, estando dicho robot caracterizado porque comprende además un módulo para calcular una posición del nuevo punto de apoyo de dicha extremidad sobre la superficie de progresión en función de la velocidad del centro de masas del robot.

14. Robot de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque al menos uno de los miembros comprende un émbolo cuyo eje es paralelo al eje de dicho miembro.

15. Robot de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque al menos una extremidad de uno de dichos miembros comprende un pie que comprende al menos dos articulaciones que pivotan en ejes sensiblemente

paralelos entre sí, y sensiblemente perpendiculares a la dirección del pie, uno próximo a la extremidad delantera del pie y el otro próximo al talón.

16. Robot de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque al menos una extremidad de uno de dichos miembros comprende un pie cuyo extremo delantero comprende un contorno redondeado cuya forma está prevista para desencadenar una elevación del talón cuando la extremidad delantera del pie pivota hacia adelante.

17. Robot de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque comprende además un conjunto de sensores inerciales que permiten conservar sensiblemente constante la orientación de una referencia ligada a una parte del robot con relación a una referencia exterior fija.

18. Robot de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque comprende además un conjunto de sensores inerciales que permiten medir con precisión las aceleraciones y las velocidades, lineales y angulares, del tórax o de 15 la cabeza, permitiendo deducir la velocidad vectorial del centro de gravedad.