專利名稱：機(jī)器人設(shè)備及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人設(shè)備及控制該機(jī)器人設(shè)備的方法，并可應(yīng)用于，如腿式移動機(jī)器人。本發(fā)明能夠通過以下方式精確表達(dá)觀察目標(biāo)通過運(yùn)用運(yùn)動學(xué)計(jì)算機(jī)器人設(shè)備到目前已經(jīng)與地面相接觸的部分和機(jī)器人設(shè)備與地面相接觸的下一個(gè)部分之間的移動量，并通過切換變換(transformation)至用作觀察參照的坐標(biāo)系作為地面接觸部件之間轉(zhuǎn)換的結(jié)果。另外，本發(fā)明通過對單獨(dú)檢測的參照坐標(biāo)系的移動量施加上述操作，能夠精確地表達(dá)觀察目標(biāo)。
背景技術(shù)：
迄今，已經(jīng)研究了通過感知障礙自動移動的步行智能機(jī)器人，如申請?zhí)枮镹o.2000-317868的日本未審專利申請中所公開的。在這樣的機(jī)器人中，如附圖1所示，參照傳感器安裝位置P1所檢測到的障礙物等，可通過用作機(jī)器人處理參照的機(jī)器人中心坐標(biāo)系(其原點(diǎn)由附圖2中的P2示出)進(jìn)行處理。因此，在這種類型的機(jī)器人中，運(yùn)用機(jī)器人中心坐標(biāo)系至傳感器之間的機(jī)器人取向的改變，表達(dá)觀察結(jié)果。
在這樣的機(jī)器人中，當(dāng)因?yàn)闄C(jī)器人按照箭頭a所指取向行進(jìn)使得機(jī)器人中心坐標(biāo)系的原點(diǎn)P2移動時(shí)，根據(jù)移動量修正基于機(jī)器人中心坐標(biāo)系的觀察結(jié)果的坐標(biāo)，并且根據(jù)每個(gè)移動要求行進(jìn)的機(jī)器人步幅確定所述移動量。
如附圖2所示，也研究了使用兩條腿走路的機(jī)器人。同樣在這樣的機(jī)器人中，由傳感器所檢測到的觀察目標(biāo)可由其原點(diǎn)為P2的機(jī)器人中心坐標(biāo)系所表示。
通過向?qū)?yīng)的模塊分別發(fā)出命令來執(zhí)行上述機(jī)器人的行走。比較而言，機(jī)器人的實(shí)際移動是連續(xù)執(zhí)行的。因此，按照機(jī)器人中心坐標(biāo)系所表示的觀察結(jié)果包括步幅所引起的誤差。另外，在命令發(fā)出時(shí)間和實(shí)際移動時(shí)間之間還存在一定差值。因此，所述機(jī)器人不能精確表達(dá)傳感器所檢測的觀察結(jié)果。
上述誤差在例如以新的觀察為基礎(chǔ)選擇移動的機(jī)器人中不是一個(gè)顯著的問題，其中如在分類結(jié)構(gòu)(subsumption architecture)中，觀測結(jié)果與所述移動相關(guān)聯(lián)?？墒牵?dāng)將各個(gè)時(shí)刻所獲取的觀測結(jié)果合并進(jìn)行處理時(shí)，例如機(jī)器人可能不能避開障礙物。因此，在這種情況中，誤差就成為一個(gè)嚴(yán)重的問題。特別地，根據(jù)附圖3(A)至3(C)中機(jī)器人的擺動行走所引起的取向改變所示，當(dāng)機(jī)器人在從右腿抬起時(shí)刻至其著地的時(shí)刻之間所進(jìn)行的一步中，以60度的角度擺動時(shí)，擺動期間的觀察結(jié)果(由時(shí)刻t2所指示的觀察結(jié)果)變得不確定。當(dāng)合并觀察結(jié)果對其進(jìn)行處理時(shí)，這成為一個(gè)嚴(yán)重的問題。附圖3示出了通過廣域坐標(biāo)系(由W示出)標(biāo)示的合并觀察結(jié)果的結(jié)果。在移動開始時(shí)刻t1和移動完成時(shí)刻t3的觀察結(jié)果能夠由旋轉(zhuǎn)角被確定為相同目標(biāo)的結(jié)果，而這些時(shí)刻之間的觀察結(jié)果不能容易地被確定為相同目標(biāo)的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于前述觀點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，并且提供能夠比現(xiàn)有機(jī)器人更精確表達(dá)觀察目標(biāo)的機(jī)器人設(shè)備，以及控制機(jī)器人設(shè)備的方法。
為了克服上述問題，本發(fā)明應(yīng)用于一種機(jī)器人設(shè)備，該機(jī)器人設(shè)備包括主體，多個(gè)與主體相連的可移動部分，設(shè)置在主體中的參照坐標(biāo)系，設(shè)置在一第一地面接觸位置處的第一局部坐標(biāo)系，在所述位置處所述可移動部分中的一個(gè)與地面相接觸，用于在第一局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第一移動量計(jì)算裝置，設(shè)置在第二地面接觸位置處的第二局部坐標(biāo)系，在所述位置處所述可移動部分中的另一個(gè)與地面相接觸，用于在第二局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第二移動量計(jì)算裝置，以及用于計(jì)算第一局部坐標(biāo)系和第二局部坐標(biāo)系之間距離的計(jì)算裝置。在基于第一局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、基于第二局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、以及所述局部坐標(biāo)系之間的距離的基礎(chǔ)上計(jì)算所述參照坐標(biāo)系的移動量。在此，術(shù)語“主體”表示設(shè)置有參照坐標(biāo)系的機(jī)器人軀體的一部分。通常地，這對應(yīng)于如機(jī)器人主要部分的腰部?？墒牵绻麉⒄兆鴺?biāo)系被設(shè)置在頭部，則術(shù)語“主體”表示頭部。術(shù)語“主體”的使用不限于軀體的這些部分。
根據(jù)本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)，機(jī)器人設(shè)備包括主體，多個(gè)與主體相連的可移動部分，設(shè)置在主體中的參照坐標(biāo)系，設(shè)置在第一地面接觸位置處的第一局部坐標(biāo)系，在所述位置處所述可移動部分中的一個(gè)與地面相接觸，用于在第一局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第一移動量計(jì)算裝置，設(shè)置在第二地面接觸位置處的第二局部坐標(biāo)系，在所述位置處所述可移動部分中的另一個(gè)與地面相接觸，用于在第二局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第二移動量計(jì)算裝置，以及用于計(jì)算第一局部坐標(biāo)系和第二局部坐標(biāo)系之間距離的計(jì)算裝置。在基于第一局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、基于第二局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、以及所述局部坐標(biāo)系之間的距離的基礎(chǔ)上計(jì)算所述參照坐標(biāo)系的移動量。因此，能夠根據(jù)地面接觸位置計(jì)算參照坐標(biāo)的移動量并同時(shí)使用運(yùn)動學(xué)原理連續(xù)計(jì)算第一或第二地面接觸位置的移動量。這時(shí)，即使由于單獨(dú)外部輸入命令引起取向(orientation)改變，例如機(jī)器人根據(jù)一個(gè)這樣的命令進(jìn)行相當(dāng)大的擺動，進(jìn)而能夠比現(xiàn)有機(jī)器人(related robot)更精確地表現(xiàn)與參照坐標(biāo)相關(guān)的目標(biāo)。這樣，通過精確表現(xiàn)傳感器所檢測到的觀察結(jié)果，能夠比現(xiàn)有機(jī)器人更精確地表達(dá)觀察目標(biāo)。
本發(fā)明應(yīng)用于機(jī)器人設(shè)備，其中由于取向改變在著地位置之間發(fā)生動態(tài)改變。所述機(jī)器人設(shè)備包括用于通過外部觀察傳感器觀察外部環(huán)境，并輸出對應(yīng)外部觀察傳感器的傳感器坐標(biāo)系所產(chǎn)生的觀察結(jié)果的觀察裝置，用于檢測關(guān)節(jié)角度的取向檢測傳感器，所述關(guān)節(jié)角度涉及至少在外部觀察傳感器與著地位置之間設(shè)置的關(guān)節(jié)的取向改變，用于檢測著地位置之間變換的著地檢測裝置，以及用于將從觀察裝置中獲取的觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為預(yù)定參照坐標(biāo)系坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換裝置。所述觀察裝置連續(xù)輸出由取向改變引起改變的觀察結(jié)果坐標(biāo)和時(shí)間信息。所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換裝置由取向檢測傳感器根據(jù)觀察結(jié)果的時(shí)間信息獲得的檢測結(jié)果中相對隨著取向改變而改變的著地位置來檢測移動量，所述著地位置變化取向改變所引起，并且所述裝置根據(jù)按照所述移動量進(jìn)行的修正，將觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成參照坐標(biāo)系的坐標(biāo)，以便變換移動量檢測的著地位置，其是著地檢測裝置所獲得的著地位置之間變換的檢測結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造，其中在由于取向改變引起的著地位置之間發(fā)生動態(tài)變化的機(jī)器人設(shè)備，包括用于通過外部觀察傳感器觀察外部環(huán)境，并輸出對應(yīng)外部觀察傳感器的傳感器坐標(biāo)系的觀察結(jié)果的觀察裝置，用于檢測關(guān)節(jié)角度的取向檢測傳感器，所述關(guān)節(jié)角度涉及至少在外部觀察傳感器到著地位置設(shè)置的關(guān)節(jié)中的取向改變，用于檢測著地位置之間變換的著地檢測裝置，以及用于將從觀察裝置中獲取的觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為預(yù)定參照坐標(biāo)系坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換裝置。所述觀察裝置連續(xù)輸出由取向改變而改變的帶有時(shí)間信息的觀察結(jié)果的坐標(biāo)。所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換裝置由取向檢測傳感器參照觀察結(jié)果的時(shí)間信息獲得的檢測結(jié)果中檢測對應(yīng)于外部觀察傳感器并相對于由取向變化而變化的著地位置的移動量，并且所述裝置通過按照所述移動量進(jìn)行的修正，將觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成參照坐標(biāo)系的坐標(biāo)，以便變換移動量檢測的著地位置，其是著地檢測裝置所獲得的著地位置之間變換的檢測結(jié)果。因此，觀察結(jié)果的坐標(biāo)由計(jì)算的移動量所修正并被轉(zhuǎn)換成參照坐標(biāo)，同時(shí)連續(xù)計(jì)算到目前已經(jīng)與地面接觸的機(jī)器人設(shè)備的一個(gè)部件，和機(jī)器人運(yùn)用運(yùn)動學(xué)與地面相接觸的下一個(gè)部件之間的移動量。這樣，即使由于單獨(dú)外部輸入命令引起取向改變，以及如機(jī)器人根據(jù)一個(gè)這樣的命令進(jìn)行相當(dāng)大的擺動，也能夠比現(xiàn)有機(jī)器人更精確地表現(xiàn)與參照坐標(biāo)相關(guān)的目標(biāo)。通過按照與觀察結(jié)果相關(guān)的時(shí)間信息執(zhí)行這些操作，即使在命令發(fā)出時(shí)間和實(shí)際移動時(shí)間之間存在一定的差異，也能夠精確地表現(xiàn)傳感器檢測到的觀察結(jié)果。因此，能夠比現(xiàn)有機(jī)器人更精確地表達(dá)觀察目標(biāo)。
本發(fā)明應(yīng)用于機(jī)器人設(shè)備，其包括軀干，多個(gè)與軀干相連的可移動的腿，設(shè)置在軀干中的參照坐標(biāo)系，設(shè)置在一個(gè)可移動腿接觸地面的第一地面接觸位置處的第一局部坐標(biāo)系，用于在第一局部坐標(biāo)系基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第一移動量計(jì)算裝置，設(shè)置在另一可移動腿接觸地面的第二地面接觸位置處的第二局部坐標(biāo)系，用于在第二局部坐標(biāo)系基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第二移動量計(jì)算裝置，以及用于計(jì)算第一局部坐標(biāo)系和第二局部坐標(biāo)系之間距離的計(jì)算裝置。在基于第一局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、基于第二局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、以及由于接觸地面的可移動腿之間變換所引起的局部坐標(biāo)系之間距離的基礎(chǔ)上連續(xù)計(jì)算所述參照坐標(biāo)系的移動量。
根據(jù)本發(fā)明這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供具有多個(gè)可移動腿并能夠比現(xiàn)有機(jī)器人設(shè)備更精確表達(dá)觀察目標(biāo)的機(jī)器人設(shè)備。
本發(fā)明應(yīng)用于控制機(jī)器人設(shè)備的方法，所述機(jī)器人設(shè)備包括主體和多個(gè)與主體相連的可移動部分。所述方法包括用于以設(shè)置在第一地面接觸位置處的第一局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)計(jì)算設(shè)置在主體中參照坐標(biāo)系的移動量的第一移動量計(jì)算步驟，其中在所述第一地面接觸位置處所述可移動部分中的一個(gè)接觸地面，用于以設(shè)置在第二地面接觸位置處的第二局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)計(jì)算該參照坐標(biāo)系移動量的第二移動量計(jì)算步驟，其中在所述第二地面接觸位置處所述可移動部分中的另一個(gè)接觸地面，以及用于計(jì)算第一局部坐標(biāo)系和第二局部坐標(biāo)系之間距離的距離計(jì)算步驟。在基于第一局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、基于第二局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、以及所述坐標(biāo)系之間距離的基礎(chǔ)上計(jì)算所述參照坐標(biāo)系的移動量。
根據(jù)本發(fā)明該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供一種用于控制具有多個(gè)可移動腿并能比現(xiàn)有機(jī)器人設(shè)備更精確地表達(dá)觀察目標(biāo)的機(jī)器人的方法。
本發(fā)明應(yīng)用于控制機(jī)器人的方法，在所述機(jī)器人中，由于取向改變而引起在著地位置之間發(fā)生動態(tài)變化。所述方法包括用于通過外部觀察傳感器觀察外部環(huán)境并通過對應(yīng)外部觀察傳感器的傳感器坐標(biāo)系輸出觀察結(jié)果的觀察步驟，用于檢測著地位置之間變換的著地檢測步驟，以及用于將通過觀察步驟獲得的觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為預(yù)定參照坐標(biāo)系坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化步驟。所述觀察步驟包括連續(xù)輸出由取向改變所引起的變化的觀察結(jié)果的坐標(biāo)和時(shí)間信息。所述坐標(biāo)變化步驟包括取向檢測傳感器根據(jù)觀察結(jié)果的時(shí)間信息而獲得的檢測結(jié)果中檢測取向變化所引起著地位置變化之間的移動量，以及根據(jù)移動量進(jìn)行的修正將觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成參照坐標(biāo)系的坐標(biāo)，以便變換用于移動量檢測的著地位置，所述移動量為著地步驟中著地位置之間變換的檢測結(jié)果，取向檢測傳感器檢測至少包含于設(shè)置在外部觀察傳感器至著地位置之間關(guān)節(jié)中取向變化的關(guān)節(jié)角度。
根據(jù)本發(fā)明該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供一種用于控制能夠比現(xiàn)有機(jī)器人設(shè)備更精確表達(dá)觀察目標(biāo)的機(jī)器人設(shè)備的方法。
本發(fā)明應(yīng)用于一種控制機(jī)器人設(shè)備的方法，所述機(jī)器人設(shè)備包括軀體和與所述軀體相連的多個(gè)移動腿。所述方法包括用于以設(shè)置在第一地面接觸位置處的第一局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)計(jì)算設(shè)置在主體中參照坐標(biāo)系的移動量的第一移動量計(jì)算步驟，其中在所述第一地面接觸位置處所述可移動部分中的一個(gè)接觸地面，用于以設(shè)置在第二地面接觸位置處的第二局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)計(jì)算該參照坐標(biāo)系移動量的第二移動量計(jì)算步驟，其中在所述第二地面接觸位置處所述可移動部分中的另一個(gè)接觸地面，以及用于計(jì)算第一局部坐標(biāo)系和第二局部坐標(biāo)系之間距離的距離計(jì)算步驟。在基于第一坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、基于第二坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、以及所述坐標(biāo)系之間距離的基礎(chǔ)上連續(xù)計(jì)算所述參照坐標(biāo)系的移動量。
根據(jù)本發(fā)明該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供一種用于控制能夠比現(xiàn)有機(jī)器人設(shè)備更精確表達(dá)觀察目標(biāo)的機(jī)器人設(shè)備的方法。


圖1為說明相關(guān)四腳走路機(jī)器人中識別結(jié)果處理的示意圖。
圖2為說明相關(guān)兩腳走路機(jī)器人中識別結(jié)果處理的示意圖。
圖3(A)、3(B)、3(C)和3(D)為說明擺動過程中識別結(jié)果處理的示意圖。
圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例的機(jī)器人的前透視圖。
圖5為圖4中所示機(jī)器人的后透視圖。
圖6為說明圖4中所示機(jī)器人的接合處自由度的示意圖。
圖7為圖4中所示機(jī)器人的控制單元部分構(gòu)造的功能性框圖。
圖8(A)和8(B)為說明著地腿之間轉(zhuǎn)換的示意圖。
圖9為說明參照坐標(biāo)系移動量的示意圖。
圖10為說明合并存儲單元處坐標(biāo)變換的示意圖。
圖11為說明關(guān)于球體觀察結(jié)果的坐標(biāo)變換的示意圖。
圖12(A)和12(B)為說明合并存儲單元處識別結(jié)果合并的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
圖13(A)和13(B)為說明與與圖12所述實(shí)例不同的識別結(jié)果合并實(shí)例的示意圖。
圖14為說明本發(fā)明第二實(shí)施例的機(jī)器人中坐標(biāo)變換的示圖。
圖15為說明圖14中識別結(jié)果合并的示意圖。
圖16(A)和16(B)為說明關(guān)于彎腿坐下的坐標(biāo)變換的示意圖。
圖17(A)、17(B)和17(C)為說明坐標(biāo)變換另一個(gè)實(shí)例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照必要的附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。
(1)第一實(shí)施例(1-1)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)附圖4和5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的直立腿式移動機(jī)器人1的前透視圖和后透視圖。所述腿式移動機(jī)器人1是被稱作人型機(jī)器人的機(jī)器人。其具有一個(gè)用腿移動的軀干，在所述軀干上附接有頭部、上左肢和上右肢、以及下左肢和下右肢或下左腿和下右腿。通過安裝在軀干中的控制單元控制整體移動。
所述下左肢和下右肢與軀干大致最下方的端部相連接，并且每個(gè)肢部從軀干向下順序包括股、膝關(guān)節(jié)、脛、踝和足。所述上左肢和上右肢與軀干大致最上方的端部相連接，并且每個(gè)肢部從軀干向下順序包括上臂、肘關(guān)節(jié)和前臂。頭部通過頸關(guān)節(jié)與軀干大致最上方的中間部分相連接。
在腿式移動機(jī)器人1中，致動器被設(shè)置在如上肢和下肢的關(guān)節(jié)中，以對應(yīng)附圖6中所示的關(guān)節(jié)的自由度。通過控制單元控制這些致動器的驅(qū)動而使得整體移動協(xié)調(diào)，進(jìn)而使機(jī)器人能夠使用兩腿行走。通常，通過重復(fù)以下過程能夠?qū)崿F(xiàn)兩條腿行走一條腿支撐周期，在所述周期中，右腿抬起而左腿支撐機(jī)器人設(shè)備；兩條腿都接觸地面的兩腿支撐周期；一條腿支撐周期，在所述周期中，左腿抬起而右腿支撐機(jī)器人設(shè)備；以及兩腿都接觸地面的兩腿支撐周期。
在腿式機(jī)器人1中，角度傳感器被設(shè)置在關(guān)節(jié)中，所述關(guān)節(jié)的角度變化至少是安裝有外部觀察傳感器(在下文予以說明)的頭部和著地位置之間關(guān)節(jié)中兩腿行走的結(jié)果。所述角度傳感器被用作用于檢測涉及取向改變的關(guān)節(jié)角度的取向檢測傳感器。由于取向而引起改變的每個(gè)部件的移動量，可由控制單元根據(jù)地面接觸位置予以確定。
重量配置(weight placement)傳感器被設(shè)置在下左肢和下右肢中，作為用于檢測著地位置之間轉(zhuǎn)換的著地位置檢測裝置的部分。每個(gè)重量配置傳感器測量配置在相連的右腿或左腿中的重量以及由行走所引起的變化。這樣，例如，根據(jù)重量配置傳感器所測量的結(jié)果能夠確定當(dāng)前哪條腿與地面接觸。在該實(shí)施例中，盡管重量配置傳感器被設(shè)置在與地面接觸的兩個(gè)腳底部件處，但其可以被設(shè)置在踝部、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)或重量配置變化類似于腳底的任何其他部件中。
在腿式移動機(jī)器人1中，一對用作外部觀察傳感器的成像機(jī)構(gòu)被設(shè)置在頭部中的眼部處。通過控制單元處理這對成像機(jī)構(gòu)提供的成像結(jié)果，例如，可用稱作立體視覺的方法確定用戶或障礙物的坐標(biāo)。
在腿式機(jī)器人1中，聲音獲取機(jī)構(gòu)包括多個(gè)設(shè)置在頭部中的類似用作外部觀察傳感器的傳聲器。這樣，控制單元分析聲音獲取機(jī)構(gòu)所獲取的聲音信號，以便檢測出人的聲音或確定聲音到達(dá)方向。
附圖7為用于合并及控制部件移動的一部分控制單元結(jié)構(gòu)的功能性框圖?？刂茊卧?0包括用于執(zhí)行存儲器中記錄的預(yù)定處理程序的計(jì)算機(jī)。設(shè)置各種具有通過執(zhí)行處理程序而獲取預(yù)定功能以便控制整體移動的模塊。
在所述模塊中，識別器10A至10C分別處理從作為外部觀察傳感器設(shè)置在頭部的成像機(jī)構(gòu)11和聲音獲取機(jī)構(gòu)12獲取的成像結(jié)果和聲音信號，以便觀察機(jī)器人周圍情況并輸出觀察結(jié)果。在此，于該實(shí)施例中，根據(jù)成像結(jié)果的圖像識別，設(shè)置如根據(jù)形狀識別球體的識別器、根據(jù)顏色識別球體的識別器、識別人臉的識別器和識別障礙物的識別器。
所述識別器10A至10C輸出對應(yīng)外部觀察傳感器的傳感器坐標(biāo)系所得到的觀察結(jié)果。識別器10A至10C連續(xù)處理外部觀察傳感器的輸出結(jié)果，以及由處理目標(biāo)所獲得的帶有時(shí)間信息的輸出識別結(jié)果。這樣，這些識別器10A至10C用作通過外部觀察傳感器觀察外部環(huán)境的觀察裝置，并輸出對應(yīng)外部觀察傳感器的傳感器坐標(biāo)系所獲得的觀察結(jié)果。在該實(shí)施例中，由于兩腿行走而產(chǎn)生的取向改變所引起改變的觀察結(jié)果的坐標(biāo)系，可與時(shí)間信息一起被連續(xù)輸出。
移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D通過確定重量配置傳感器13的重量配置檢測結(jié)果檢測著地的腿。在此，著地腿指其上承受機(jī)器人重量的腿。在一條腿支撐周期中，所述著地腿對應(yīng)與地面相接觸的腿。在兩條腿都與地面相接觸的兩條腿支撐周期中，使用直到目前已經(jīng)在地面上的任一條著地腿。
更特別地，移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D根據(jù)預(yù)定閾值估算設(shè)置在左腿和右腿中的重量配置傳感器13所檢測的重量配置值之間的差值，以便在兩腳的重量配置值之間差值超過預(yù)定時(shí)間周期的閾值時(shí)，將承受更多重量的腳確定為著地的腳(或重量配置腳)。當(dāng)兩腳上的重量基本相等時(shí)，如機(jī)器人設(shè)備豎直站立時(shí)，所述差值未超過閾值，使得任意著地腳繼續(xù)為之前的狀態(tài)。
將通過上述方法檢測的著地腳用作參照，移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D，連續(xù)地檢測和輸出用作機(jī)器人中心坐標(biāo)的原坐標(biāo)(軀體參照點(diǎn))的移動量。移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D在通過運(yùn)動學(xué)(幾何運(yùn)動學(xué))對檢測的移動量基進(jìn)行計(jì)算，其中將角度傳感器14所檢測到的關(guān)節(jié)角度用作參照。在該實(shí)施例中，將用作機(jī)器人中心坐標(biāo)的原坐標(biāo)設(shè)置在腰部。
所述移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D輸出由齊次變換矩陣T表示的按照上述方法檢測的軀體參照點(diǎn)的移動量，其中軀體參照點(diǎn)由具有設(shè)置在著地腳底處的參照位置的坐標(biāo)系表示。所述齊次變換矩陣T如下所示T=r11r12r13xr21r22r23yr31r32r33z0001---(1)]]>這樣，在一條腿支撐周期中，當(dāng)右腿在由附圖8(A)中機(jī)器人前面來看的兩條腿方向懸浮時(shí)，移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D將左腿設(shè)置成著地腿，并使用從左腿到下一著地腿的關(guān)節(jié)角度(變換A)計(jì)算移動量。當(dāng)懸浮腳接觸地面并且重量等于或大于預(yù)定值的重量配置在腳上，而引起著地腿改變時(shí)，用作參照坐標(biāo)的機(jī)器人中心坐標(biāo)的變換轉(zhuǎn)換為以下一個(gè)著地腳為基礎(chǔ)的變換(變換B)。在每次由附圖8(B)中所示的加到變換A和B的腳碼所示的腳著地時(shí)，按照上述方法由下一個(gè)著地腳提供的移動量單獨(dú)給出?？墒?，當(dāng)腳在這些時(shí)間之間懸浮的時(shí)候，取向中的改變由變換B給出。因此，通過使變換A和B相乘，使得在軀體參照點(diǎn)處連續(xù)發(fā)生變換。
更特別地，從側(cè)面觀看這些移動，如附圖9所示，通過使用運(yùn)動學(xué)，其中由設(shè)置在著地腳處的角度傳感器14檢測的關(guān)節(jié)角度用作參照，根據(jù)基于設(shè)置在著地腳腳底處的用作參照位置的第一地面接觸點(diǎn)的坐標(biāo)系(相對于軀體參照坐標(biāo)系的所謂的局部坐標(biāo)系)，連續(xù)計(jì)算軀體參照點(diǎn)P(t1)、P(t2)和P(t3)的移動量。類似地，根據(jù)以著地腳轉(zhuǎn)換時(shí)的第二地面接觸點(diǎn)為基礎(chǔ)的局部坐標(biāo)系，連續(xù)計(jì)算軀體參照點(diǎn)P(t3)、P(t4)和P(t5)的移動量。另外，通過根據(jù)第二地面接觸點(diǎn)再變換軀體參照點(diǎn)P(t1)、P(t2)和P(t3)的移動量，使得再著地腳之間變換前后所檢測到的參照點(diǎn)P(t1)至P(t3)至P(t5)的移動量被確定得使其連續(xù)變換。這樣，在該實(shí)施例中，通過使用這樣軀體參照用作參照，外部觀察結(jié)果能夠精確地表達(dá)觀察目標(biāo)。
從以上說明中，在該實(shí)施例中，軀干和與所述軀干相連的下肢、上肢和頭部等，包括主體和多個(gè)與分別與主體相連的可移動部分，并且設(shè)置在軀干中的軀體參照坐標(biāo)系為機(jī)器人參照坐標(biāo)系。設(shè)置在兩個(gè)下肢接觸地面的第一地面接觸位置和第二地面基礎(chǔ)位置處的第一局部坐標(biāo)系和第二局部坐標(biāo)系，被設(shè)置在兩個(gè)下肢中。所述角度傳感器14和移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D包括用于在第一局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系移動量的第一移動量計(jì)算裝置，在第二局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系移動量的第二移動量計(jì)算裝置，以及用于計(jì)算第一局部坐標(biāo)系和第二局部坐標(biāo)系之間距離的裝置。所述角度傳感器14和移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D用于根據(jù)基于第一局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、基于第二局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、以及所述局部坐標(biāo)系之間距離來計(jì)算該參照坐標(biāo)系移動量。
除上述地面接觸點(diǎn)對軀體參照點(diǎn)的坐標(biāo)變換以外，移動量運(yùn)動計(jì)算器10D計(jì)算類似于由關(guān)節(jié)角度的軀體參照點(diǎn)對外部觀察傳感器安裝位置的坐標(biāo)變換，并將其返回。以此方式改變的地面著地位置之間的移動量，由于地面著地腳之間的轉(zhuǎn)換而被計(jì)算并輸出。時(shí)間信息被設(shè)置在這些信息中(根據(jù)要求，在下文稱作取向信息)并被輸出。
合并存儲部分10E合并及存儲識別器10A至10C的識別結(jié)果，并根據(jù)移動描述部分10F的要求輸出存儲的識別結(jié)果。在此，移動描述部分10F是一種用于通過提供機(jī)器人計(jì)劃目標(biāo)行走路徑以及對模塊(未示出)發(fā)出命令并借助合并存儲部分10E的合并結(jié)果修正所述計(jì)劃的路徑，移動機(jī)器人，以便如避免障礙物和追隨所要球的模塊。
所述合并存儲部分10E根據(jù)機(jī)器人中心坐標(biāo)合并觀察結(jié)果，以便移動描述部分10F中的處理。換句話說，如果根據(jù)機(jī)器人中心坐標(biāo)表示識別結(jié)果，能夠描述移動，如按照機(jī)器人的觀察，如果球在右邊則向右擺動。這樣，相對比于以廣域坐標(biāo)系中坐標(biāo)(x1，y1)描述所述球的情況，能夠簡化說明。
更特別地，根據(jù)識別結(jié)果的時(shí)間信息，合并存儲部分10E將所述識別結(jié)果變換成這樣表示的結(jié)果，即根據(jù)使用以下公式進(jìn)行計(jì)算的、按照用作預(yù)定參照坐標(biāo)系并將著地腳腳底作為參照的自中心坐標(biāo)系進(jìn)行表示的結(jié)果。此時(shí)，相對于隨兩腳行走引起的取向變化而變化的著地位置，對移動量進(jìn)行的修正而執(zhí)行坐標(biāo)變換。T指代表示上述坐標(biāo)變換并由公式(1)表示的齊次變換矩陣，T左下部指代原坐標(biāo)，而T右下部指代變換后的坐標(biāo)系。lf指代左腳底坐標(biāo)系，而rf指代右腳底坐標(biāo)系。b指代用作機(jī)器人中心的軀體參照坐標(biāo)系，s表示傳感器坐標(biāo)系，而圓括號()中指代時(shí)間。小寫字母矢量指代識別目標(biāo)的位置。這樣，通過在時(shí)間t從左腳底變換到參照坐標(biāo)系后，從參照坐標(biāo)系變換到傳感器坐標(biāo)系時(shí)，乘以基于傳感器坐標(biāo)系的目標(biāo)位置，給出左腳底坐標(biāo)系的目標(biāo)位置。在公式(2)中，lfTb(t)和bT(t)表示移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D所獲取的取向信息，而sv(t)表示基于傳感器坐標(biāo)系并且從每個(gè)識別器10A至10C獲取的識別結(jié)果。
lfTb(t)×bT(t)×sv(t)＝lfv(t) (2)合并存儲部分10E臨時(shí)地將移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D和識別器10A至10C的輸出結(jié)果記錄和保存在存儲器中(稱作隊(duì)列)，當(dāng)提供對應(yīng)識別結(jié)果的時(shí)間信息的數(shù)據(jù)時(shí)(在此情況中因?yàn)樾枰蠖鄶?shù)時(shí)間進(jìn)行識別而獲得識別結(jié)果的時(shí)候)搜索隊(duì)列，并使用公式(2)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)識別結(jié)果中的時(shí)間信息，由對應(yīng)時(shí)間的移動量執(zhí)行上述的操作。
更特別地，如附圖10所示，在時(shí)刻t+1、t+2和t+3獲得的識別結(jié)果sv(t+1)，sv(t+2)和sv(t+3)被乘以對應(yīng)時(shí)間的取向信息lfTb(t+1)、lfTb(t+2)和lfTb(t+3)和bT(t+1)、bT(t+2)和bT(t+3)，以便將識別結(jié)果連續(xù)轉(zhuǎn)換成按照基于左腿的坐標(biāo)系表示的結(jié)果。這樣，合并存儲部分10E合并所述識別結(jié)果并記錄和保存由預(yù)定時(shí)間周期的坐標(biāo)變換提供的合并的識別結(jié)果。
當(dāng)右腿在t+4時(shí)刻著地時(shí)，移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D提供移動量lfTrf(t+4)。連續(xù)輸入其中右腿用作參照的取向信息rfTb(t)，而替換其中左腿作為參照的取向信息lfTb(t)。因此，從t+4時(shí)刻向前，合并存儲部分10E使用其中右腿用作參照的取向信息rfTb(t)類似地執(zhí)行基于公式(2)的計(jì)算，以便連續(xù)執(zhí)行識別變換以按照基于右腿的坐標(biāo)進(jìn)行表示。這樣，合并存儲部分10E在沒有以任何方式控制著地腳之間轉(zhuǎn)換的情況下，能夠處理連續(xù)獲得的識別結(jié)果。
合并存儲部分10E根據(jù)移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D給出的移動量lfTrf(t+4)通知，在記錄和保存移動量的時(shí)間基礎(chǔ)上變換之前的識別結(jié)果，使得由變換參照或著地腳而產(chǎn)生的識別結(jié)果對應(yīng)記錄和保存的識別結(jié)果。在此，通過將移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D提供的lfTrf(t+4)的逆矩陣(lfTrf(t+4))-1乘以記錄和保存的識別結(jié)果lfv(t+1)、lfv(t+2)和lfv(t+3)，而執(zhí)行所述坐標(biāo)變換。
相應(yīng)地，合并存儲部分10E能很容易地合并記錄和保存的識別結(jié)果并對其處理。更特別地，能夠檢查不同傳感器的不同時(shí)刻和過濾之前觀察結(jié)果的識別結(jié)果之間的關(guān)系。
將描述識別結(jié)果為球體識別結(jié)果的一個(gè)更特別的實(shí)例。如附圖11所示，檢測t1和t3時(shí)刻的基于傳感器坐標(biāo)系的球體觀察結(jié)果cTball(t1)和cTball(t3)。當(dāng)在t1時(shí)刻，左腿為著地腿，在t2時(shí)刻右腿為著地腿，以及在時(shí)刻t3右腿為著地腿時(shí)，使用時(shí)刻t1基于傳感器坐標(biāo)系的觀察結(jié)果cTball(t1)和基于參照坐標(biāo)系處傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)的取向信息rTc(t1)，以通過等式rTball(t1)＝rTc(t1)·cTball(t1)表示t1時(shí)刻的rTball(t1)。在附圖11中示出的實(shí)施例中，為了簡單示出與傳感器坐標(biāo)系的關(guān)系，參照坐標(biāo)系的原點(diǎn)被設(shè)置在腰部上和傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)后面。在此情況中，t1時(shí)刻的參照坐標(biāo)系由以左腿局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的lfTt(t+1)表示。
當(dāng)此狀態(tài)后，右腿在t2時(shí)刻著地時(shí)，通過局部坐標(biāo)系之間的距離或在t2時(shí)刻從左腿的地面接觸點(diǎn)到右腿地面接觸點(diǎn)的移動量，即通過基于左腿的局部坐標(biāo)系，使得第二地面接觸點(diǎn)能用lfTrf(t2)表示。這樣，t1時(shí)刻的參照坐標(biāo)lfTr(t1)與移動量lfTrf(t2)的逆矩陣(lfTrf(t2))-1相乘，并可參照第二地面基礎(chǔ)點(diǎn)由等式(lfTrf(t2))-1·lfTr(t1)表示。類似地，t1時(shí)刻的球體位置rTball(t1)與逆矩陣(lfTrf(t2))-1相乘，并可參照第二地面接觸點(diǎn)由等式(lfTrf(t2))-1·rTball(t1)表示。
相反，T3時(shí)刻檢測的球體位置rTball(t3)參照第二地面接觸點(diǎn)由等式rTball(t3)＝rTc(t3)·cTball(t3)表示。因此，在參照坐標(biāo)中參照右腿(即第二地面接觸點(diǎn))示出t1至t3時(shí)刻的觀察結(jié)果，以便處理連續(xù)獲得的識別結(jié)果。
相反，附圖12(A)為說明合并存儲部分10E合并來自t1時(shí)刻臉部識別器的識別結(jié)果(臉)和來自t3時(shí)刻聲音識別器的識別結(jié)果(聲音)的示意圖。當(dāng)合并存儲部分10E合并這些識別結(jié)果，并由附圖12(B)中所示機(jī)器人取向改變所引起的機(jī)器人移動時(shí)根據(jù)移動量來確定這兩個(gè)識別結(jié)果的坐標(biāo)可被修正并且將兩個(gè)識別結(jié)果彼此疊加時(shí)，來確定來自不同時(shí)刻的臉部識別器和聲音識別器的識別結(jié)果是某人的識別結(jié)果，從而根據(jù)自中心坐標(biāo)系適當(dāng)?shù)卮_定該人存在的方向。
如附圖13(A)所示，當(dāng)由顏色識別器在t1、t2和t3時(shí)刻的識別結(jié)果來確定一粉紅色目標(biāo)在移動時(shí)，以及確定在這些時(shí)刻內(nèi)的t1時(shí)刻球體識別器的識別結(jié)果所包括的圓形物體的坐標(biāo)基本與粉紅色目標(biāo)坐標(biāo)相匹配時(shí)，所述合并存儲部分10E能確定球體為粉紅色，并由自中心坐標(biāo)系適當(dāng)?shù)睾喜⒑透兄R別結(jié)果。
相應(yīng)地，在腿式移動機(jī)器人1中，成像機(jī)構(gòu)和聲音獲取機(jī)構(gòu)被用作外部觀察傳感器。所述識別器10A至10C用作通過這些外部觀察傳感器觀察外部環(huán)境、并通過每個(gè)外部觀察傳感器的傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)輸出觀察結(jié)果的觀察裝置。設(shè)置在每個(gè)關(guān)節(jié)中的角度傳感器用作檢測關(guān)節(jié)角度的取向檢測傳感器，所述關(guān)節(jié)角度涉及在外部觀察傳感器至著地位置之間設(shè)置的關(guān)節(jié)中取向的變化。設(shè)置在左腿和右腿中的重量配置傳感器與移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D共同包括，用于檢測著地位置變換的著地檢測裝置。所述合并存儲部分10E與移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D共同包括，用于將觀察裝置的觀察結(jié)果坐標(biāo)變換成預(yù)定參照坐標(biāo)系坐標(biāo)的坐標(biāo)變換裝置。在該實(shí)施例中，根據(jù)觀察結(jié)果的時(shí)間信息，從取向檢測傳感器的檢測結(jié)果中檢測出相對隨著取向改變而變化的著地位置的移動量。觀察結(jié)果的坐標(biāo)由移動量修正并被轉(zhuǎn)換成預(yù)定參照坐標(biāo)系的坐標(biāo)。著地檢測裝置檢測著地位置的變換以變換用于移動量檢測的著地位置。
(1-2)第一實(shí)施例操作在具有上述結(jié)構(gòu)的腿式移動機(jī)器人，設(shè)置在每個(gè)部件中的致動器由設(shè)置在軀干中控制單元處的移動描述部分10F所驅(qū)動，以便使機(jī)器人用兩腳行走。在腿式機(jī)器人1中，由兩腳行走中使用的腳關(guān)節(jié)所引起的取向改變，使得右腿和左腿交替著地。因此，由于取向改變，使得著地位置動態(tài)改變，進(jìn)而使得機(jī)器人按照移動描述部分10F給出的控制操作進(jìn)行移動。
在腿式移動機(jī)器人1這樣的移動中，通過設(shè)置在腳處的重量配置傳感器探測在移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D處配置重量的腳。參照作為重量配置腿并以此方式檢測的著地腳，根據(jù)運(yùn)動學(xué)檢測移動量，其中設(shè)置在關(guān)節(jié)中的角度傳感器檢測到的關(guān)節(jié)角度用作參照。根據(jù)這樣的移動量，產(chǎn)生相對著地位置的軀體參照點(diǎn)的齊次變換矩陣，并將基于齊次變換矩陣的取向信息輸出到合并存儲部分10E。
所述識別器10A至10C處理來自設(shè)置于頭部中外部識別傳感器的成像結(jié)果和聲音獲取結(jié)果。其中每個(gè)外部識別傳感器的坐標(biāo)系用作參照的識別結(jié)果，與時(shí)間信息一起被輸出到合并存儲部分10E?；趶能|體參照點(diǎn)到設(shè)置有外部識別傳感器的部分之間設(shè)置的關(guān)節(jié)處的角度傳感器，移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D產(chǎn)生用于將基于傳感器坐標(biāo)系的識別結(jié)果變換至軀體參照點(diǎn)坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。基于齊次變換矩陣的取向信息，與時(shí)間信息一起被輸出到所述合并存儲部分10E。
在腿式移動機(jī)器人1中，基于齊次變換矩陣并相對檢測到的著地位置表示軀體參照點(diǎn)的取向信息，基于齊次變換矩陣并相對軀體參照點(diǎn)表示傳感器坐標(biāo)系的取向信息，以及基于所述傳感器坐標(biāo)的識別結(jié)果，都參照識別結(jié)果的時(shí)間信息被處理，以便參照著地位置表示識別結(jié)果。
基于用作上述處理參照的軀體參照的參照坐標(biāo)系，通過轉(zhuǎn)換地面接觸點(diǎn)而被變換并由連續(xù)的移動量示出。
因此，在機(jī)器人中，即使在命令發(fā)出時(shí)間和實(shí)際移動時(shí)間之間存在差值或在按照設(shè)置在軀干處機(jī)器人中心坐標(biāo)系表示的觀察結(jié)果中存在步調(diào)的誤差，也能夠準(zhǔn)確地表達(dá)傳感器所檢測到的觀察結(jié)果。例如，類似在附圖3所示t2時(shí)刻的識別結(jié)果在擺動中獲取的識別結(jié)果，能夠通過修正基于傳感器移動的觀察結(jié)果的坐標(biāo)系變換與之前和后述的結(jié)果相比較。因此，能夠有效地消除識別結(jié)果不明確的情況。進(jìn)而，腿式移動機(jī)器人1能夠相對隨取向改變而變化的環(huán)境表現(xiàn)識別結(jié)果，并很容易地合并不同時(shí)刻的識別結(jié)果。如下文所述，用作控制地面接觸點(diǎn)和取向的模塊的移動描述部分10F及用作合并模塊的合并存儲部分10E，可明確地按照單獨(dú)元件形成。因此，易于通過移動描述部分10F來描述移動。
在腿式移動機(jī)器人1中，基于所述識別結(jié)果的坐標(biāo)變換，可通過對應(yīng)設(shè)置在識別結(jié)果中的時(shí)間信息的取向信息進(jìn)行處理和實(shí)現(xiàn)。所述識別結(jié)果被記錄和保存，并由合并存儲部分10E所合并。
在腿式移動機(jī)器人1中，移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D根據(jù)預(yù)定閾值估算左腿和右腿處重量配置傳感器的檢測結(jié)果之間的差值。在此情況中，通過比較預(yù)定閾值和差值而確定著地腳轉(zhuǎn)換，有效地阻止了，單個(gè)重量配置腿或如兩腿支撐機(jī)器人周期期間兩個(gè)重量配置腿的錯(cuò)誤探測。
在腿式移動機(jī)器人1中，當(dāng)檢測到著地腿之間的轉(zhuǎn)換時(shí)，具有參照軀干的取向信息參照被轉(zhuǎn)換，使得具有參照下一個(gè)著地腿的取向信息被隨后而連續(xù)的輸出。根據(jù)著地腿之間的轉(zhuǎn)換，檢測由于著地腿之間轉(zhuǎn)換所引起的移動量，并將其輸出到合并存儲部分10E。因此，合并存儲部分10E參照參照著地位置表示軀體參照點(diǎn)的取向信息、參照軀體參照點(diǎn)表示傳感器坐標(biāo)系的取向信息、時(shí)間信息以及基于傳感器坐標(biāo)的識別信息，以直到當(dāng)前已經(jīng)存在的相同方法執(zhí)行所述識別結(jié)果的坐標(biāo)變換，以便參照著地位置表示識別結(jié)果。相應(yīng)地，在沒有以任何方法控制著地腳之間轉(zhuǎn)換的情況下，能夠處理連續(xù)獲得的識別結(jié)果。
作為著地腿之間轉(zhuǎn)換之前的坐標(biāo)變換結(jié)果而被記錄的識別結(jié)果，與指示著地腿之間轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的移動量的齊次變換矩陣的逆矩陣相乘，以便執(zhí)行坐標(biāo)變換，使得識別結(jié)果由其中下一個(gè)著地腿用作參照的坐標(biāo)系表示并被記錄。因此，在腿式移動機(jī)器人1中，能夠很容易地并可靠地合并多個(gè)相同時(shí)刻的識別結(jié)果以外的不同時(shí)刻的識別結(jié)果，從而使得如適當(dāng)?shù)囊苿颖粚?shí)現(xiàn)。
換句話說，在腿式移動機(jī)器人1中，以此方式記錄在合并存儲部分10E中的識別結(jié)果被合并，以便關(guān)于著地位置表示如最喜愛的球體或障礙物。根據(jù)這些識別結(jié)果，機(jī)器人能夠移動，如跟隨球體或避開障礙物。
(1-3)第一實(shí)施例的優(yōu)勢根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，通過表示作為由于地面接觸點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換而引起的坐標(biāo)變換結(jié)果的參照坐標(biāo)系的移動量，能夠精確地表示觀察目標(biāo)。
換句話說，通過在參照坐標(biāo)系的移動量的基礎(chǔ)上修正每個(gè)傳感器的測量值的坐標(biāo)，能夠精確地表示觀察目標(biāo)。
根據(jù)所記錄和保存的修正結(jié)果的坐標(biāo)變換，同樣能夠簡單而可靠地處理腳與地面接觸之前和之后提供的觀察結(jié)果，所述修正結(jié)果對應(yīng)于地面接觸點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換的修正結(jié)果。
通過計(jì)算機(jī)器人設(shè)備中直到現(xiàn)在已經(jīng)與地面相接觸的部分和機(jī)器人設(shè)備中按照運(yùn)動學(xué)原理與地面相接觸的下一個(gè)部分之間的移動量，以及通過轉(zhuǎn)換用作作為地面接觸部分結(jié)果的觀察參照的坐標(biāo)系變換，能夠精確地表示觀察目標(biāo)。
由于取向改變而引起的著地位置之間的這種動態(tài)改變，對應(yīng)兩腳行走中使用的左腿和右腿的著地位置之間的改變。所述取向檢測傳感器為設(shè)置在左腿和右腿關(guān)節(jié)中的角度傳感器。所述著地檢測裝置為用于檢測左腿和右腿上配置的重量的重量配置傳感器，以及用于根據(jù)預(yù)定閾值估算重量配置傳感器檢測到的重量配置值之間差值的估算裝置。因此能夠有效地消除在單條重量配置腿和，如兩腿支撐機(jī)器人周期期間兩條重量配置腿的不正確檢測。
通過記錄和保存坐標(biāo)變換結(jié)果并通過著地裝置檢測著地位置的轉(zhuǎn)換，根據(jù)著地位置的轉(zhuǎn)換，能夠變換所記錄和保存的坐標(biāo)變換結(jié)果。這樣，能夠使連續(xù)坐標(biāo)變換獲得的識別結(jié)果和之前記錄并保存的識別結(jié)果相一致。因此，能夠很容易地合并所述識別結(jié)果。
通過合并以此方法記錄并保存的坐標(biāo)變換結(jié)果，以及在移動中將其反映出，能夠提供精確自動的移動。
因?yàn)樯婕吧鲜鲎鴺?biāo)變換的參照坐標(biāo)為以著地腳腳底作為參照的自中心坐標(biāo)，所以能夠很容易地描述移動。
(2)第二實(shí)施例在本實(shí)施例中，關(guān)于前述識別結(jié)果的坐標(biāo)變換的參照被設(shè)定為國際坐標(biāo)。除關(guān)于參照坐標(biāo)的處理不同外，本實(shí)施例的結(jié)果與第一實(shí)施例中的相同。在下文，根據(jù)需求，參照第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)描述第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。
在此，如附圖14所示，合并存儲部分確定初始值wTlf(t)為根據(jù)廣域坐標(biāo)系中一條著地腿的取向信息。在腿式移動機(jī)器人1中，關(guān)于該初始值wTlf(t)的左腿被設(shè)定為著地腿并且該機(jī)器人開始行走。根據(jù)具有作為參照的左腿的取向信息，在識別結(jié)果上執(zhí)行坐標(biāo)變換到廣域坐標(biāo)系并將其從移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D中輸出。在此情況中，通過將關(guān)于初始值wTlf(t)的變換矩陣與附圖10中計(jì)算出的處理結(jié)果相乘，按照廣域坐標(biāo)系而不是使用著地腿作為參照的坐標(biāo)系表示所述識別結(jié)果。
由于著地腿的轉(zhuǎn)換，使得關(guān)于參照著地腳的初始值wTlf(t)，按照移動量運(yùn)動學(xué)計(jì)算器10D輸出的移動而被更新，以便產(chǎn)生涉及右腿的變換矩陣wTrf(t)。隨后，基于傳感器坐標(biāo)系的識別結(jié)果被涉及右腿的變換矩陣wTrf(t)所處理。
附圖15為示出廣域坐標(biāo)系中識別結(jié)果和移動路徑的障礙物圖。通過在是否存在球和地面之間邊界的基礎(chǔ)上識別地面，通過按照類似圖像處理識別障礙物，以及通過由這些識別結(jié)果在每次距離數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上隨機(jī)地更新二維格柵信息(grid information)來提供所述識別結(jié)果。在預(yù)定路徑中，機(jī)器人移動以避開所述障礙物，并在附圖14所示的狀態(tài)中，機(jī)器人已經(jīng)通過預(yù)定路徑移至一半路徑。在此任務(wù)中，在移動的同時(shí)進(jìn)行觀察并使其在時(shí)間方向上被合并。因此，盡管這些觀察結(jié)果包括相關(guān)方法至多引起的一步偏差，但能夠精確表示這些觀察結(jié)果，以便實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)淖R別。
在參照坐標(biāo)系被設(shè)定為廣域坐標(biāo)系的情況下，當(dāng)對識別結(jié)果執(zhí)行坐標(biāo)變換時(shí)，計(jì)算的次數(shù)增加，但不必將逆矩陣與涉及著地腿轉(zhuǎn)換的記錄和保存的識別結(jié)果相乘，以便通過相應(yīng)地簡化處理操作提供與第一實(shí)施例相同的優(yōu)勢。
在所述處理中，能夠使識別結(jié)果按照廣域坐標(biāo)系表示，并將按照廣域坐標(biāo)系表示的識別結(jié)果變換成當(dāng)移動描述部分被告知識別結(jié)果時(shí)，按照具有作為參照的著地腳的局部坐標(biāo)系予以表示的識別結(jié)果。
(3)第三實(shí)施例盡管在上述實(shí)施例中，本發(fā)明應(yīng)用于兩腳行走引起的取向改變，但本發(fā)明不限制于此。本發(fā)明可應(yīng)用于方向中各種其他類型的改變，例如附圖16中所示彎腿坐所引起的取向改變。附圖16中所示出的實(shí)例是，從機(jī)器人使用彎腿站立時(shí)腳底在地面上的狀態(tài)(附圖16(A))至腳底未在地面上的狀態(tài)(附圖16(B))，而產(chǎn)生取向改變的一個(gè)實(shí)例。在此情況中，使用按照地面接觸點(diǎn)限定的底部，即機(jī)器人中在機(jī)器人彎腿站立時(shí)與地面最穩(wěn)定接觸的一部分，使得在取向改變時(shí)說明從腳底至底部之間的向前運(yùn)動，以便確定移動量并告知機(jī)器人該確定的移動量。相反，通過簡單的將取向改變從底部的地面接觸點(diǎn)返回到合并部分，可在即使是合并部分處用相同的方法合并觀察結(jié)果。換句話說，能夠合并取向改變前和改變后的識別結(jié)果。
本發(fā)明不僅應(yīng)用于簡單以重量配置地點(diǎn)為基礎(chǔ)的地面接觸位置的轉(zhuǎn)換，也不同地應(yīng)用于，由于取向如附圖17(A)至17(C)中分別所示的站立取向、彎腰取向和睡覺取向中的各種其他改變所引起的地面接觸位置的改變。即使在這些情況中，取向改變之前和之后的識別結(jié)果可以被合并。
盡管在上述實(shí)施例中，著地腿的腳底和廣域坐標(biāo)系被設(shè)定為參照坐標(biāo)，以便執(zhí)行坐標(biāo)變換，但本發(fā)明并不限于此。因此，本發(fā)明可廣泛地應(yīng)用于，如按照機(jī)器人軀體參照點(diǎn)表現(xiàn)識別結(jié)果。
盡管在上述實(shí)施例中，討論了由于地面接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換而引起的對之前記錄的觀察結(jié)果執(zhí)行的坐標(biāo)變換，但本發(fā)明并不限于此。因此，根據(jù)需要，可在各種時(shí)間選擇情況下，如處理觀察結(jié)果時(shí)，設(shè)定上述坐標(biāo)變換。
盡管在上述實(shí)施例中，本發(fā)明應(yīng)用于兩腳行走機(jī)器人，但本發(fā)明并不限于此。因此，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于，如四腳行走機(jī)器人。
相比于現(xiàn)有機(jī)器人，本發(fā)明能夠提供精確表示的觀察機(jī)器人。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明涉及一種機(jī)器人設(shè)備及控制該機(jī)器人設(shè)備的方法，并應(yīng)用于如腿式移動機(jī)器人。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器人設(shè)備，包括主體；多個(gè)與所述主體相連的可移動部分；設(shè)置在所述主體中的參照坐標(biāo)系；設(shè)置在第一地面接觸位置處的第一局部坐標(biāo)系，在所述位置處所述可移動部分中的一個(gè)與地面相接觸；用于在所述第一局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第一移動量計(jì)算裝置；設(shè)置在第二地面接觸位置處的第二局部坐標(biāo)系，在所述位置處所述可移動部分中的另一個(gè)與地面相接觸；用于在所述第二局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第二移動量計(jì)算裝置；以及用于計(jì)算所述第一局部坐標(biāo)系和所述第二局部坐標(biāo)系之間距離的計(jì)算裝置，其中在基于所述第一局部坐標(biāo)系的所述參照坐標(biāo)系的移動量、基于所述第二局部坐標(biāo)系的所述參照坐標(biāo)系的移動量、以及所述局部坐標(biāo)系之間的距離的基礎(chǔ)上計(jì)算所述參照坐標(biāo)系的移動量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人設(shè)備，其中進(jìn)一步包括設(shè)置在所述主體中的傳感器可移動部分；設(shè)置在所述傳感器可移動部分中用于測量目標(biāo)的傳感器；設(shè)置在所述傳感器中的傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)；和用于執(zhí)行所述傳感器坐標(biāo)系和所述參照坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換的傳感器坐標(biāo)變換裝置，所述傳感器坐標(biāo)變換裝置在所述參照坐標(biāo)系的移動量基礎(chǔ)上，修正由所述傳感器提供的測量值的坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人設(shè)備，其中所述測量值的坐標(biāo)修正結(jié)果被記錄和保存，并且所述傳感器坐標(biāo)變換裝置在所記錄和保存的修正結(jié)果上執(zhí)行坐標(biāo)變換，以便與對應(yīng)于由所述第一地面接觸位置切換到所述第二地面接觸位置的所述第二地面接觸位置處地面接觸之后獲得的坐標(biāo)修正結(jié)果相對應(yīng)。
4.由于取向改變在著地位置之間發(fā)生動態(tài)改變的一種機(jī)器人設(shè)備，其中該機(jī)器人設(shè)備包括用于通過外部觀察傳感器觀察外部環(huán)境，并輸出對應(yīng)所述外部觀察傳感器的傳感器坐標(biāo)系的觀察結(jié)果的觀察裝置；用于檢測關(guān)節(jié)角度的取向檢測傳感器，所述關(guān)節(jié)角度涉及至少從所述外部觀察傳感器到著地位置之間設(shè)置的關(guān)節(jié)的取向變化；用于檢測著地位置之間變換的著地檢測裝置，以及用于將從所述觀察裝置中獲取的觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為預(yù)定參照坐標(biāo)系坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換裝置，其中所述觀察裝置連續(xù)輸出由于取向改變而引起改變的觀察結(jié)果的坐標(biāo)和時(shí)間信息，和其中所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換裝置由所述取向檢測傳感器根據(jù)觀察結(jié)果的時(shí)間信息獲得的檢測結(jié)果中根據(jù)由取向改變而改變的著地位置檢測移動量，并且所述裝置通過所述移動量的修正，將觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成參照坐標(biāo)系的坐標(biāo)，以便根據(jù)著地檢測裝置所獲得的著地位置之間變換的檢測結(jié)果變換用于移動量檢測的著地位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人設(shè)備，其中由于取向改變引起的著地位置之間的動態(tài)變化為兩腿行走中使用的左腳和右腳的著地位置之間變化，所述取向檢測傳感器為設(shè)置在左腳和右腳關(guān)節(jié)處的角度傳感器，而所述著地檢測裝置為用于檢測左腳和右腳上重量配置值的重量配置傳感器，以及用于根據(jù)預(yù)定閾值估算所述重量配置傳感器檢測的重量配置值之間差值的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人設(shè)備，其中著地位置之間轉(zhuǎn)換被所述著地檢測裝置所檢測時(shí)，所述坐標(biāo)變換裝置記錄并保存坐標(biāo)變換的結(jié)果，并將記錄和保存的坐標(biāo)變換結(jié)果變換，以便對應(yīng)著地位置之間轉(zhuǎn)換。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人設(shè)備，其中進(jìn)一步包括用于合并坐標(biāo)變換裝置所記錄和保存的坐標(biāo)變換結(jié)果，以便在移動中反映合并結(jié)果的移動描述裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)器人設(shè)備，其中所述參照坐標(biāo)系為自中心坐標(biāo)系，其中左腳和右腳的腳底用作參照。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人設(shè)備，其中所述參照坐標(biāo)系為廣域坐標(biāo)系。
10.一種機(jī)器人設(shè)備，包括軀干；多個(gè)與所述軀干相連的可移動的腿；設(shè)置在所述軀干中的參照坐標(biāo)系；設(shè)置在所述可移動腿中的一個(gè)接觸地面的第一地面接觸位置處的第一局部坐標(biāo)系；用于在所述第一局部坐標(biāo)系基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第一移動量計(jì)算裝置；設(shè)置在所述可移動腿中的另一個(gè)接觸地面的第二地面接觸位置處的第二局部坐標(biāo)系；用于在所述第二局部坐標(biāo)系基礎(chǔ)上計(jì)算該參照坐標(biāo)系的移動量的第二移動量計(jì)算裝置；以及用于計(jì)算所述第一局部坐標(biāo)系和所述第二局部坐標(biāo)系之間距離的計(jì)算裝置，其中在基于所述第一局部坐標(biāo)系的移動量、基于所述第二局部坐標(biāo)系的移動量、以及由于接觸地面的可移動腿之間變換所引起的局部坐標(biāo)系之間距離的基礎(chǔ)上連續(xù)計(jì)算所述參照坐標(biāo)系的移動量。
11.一種用于控制機(jī)器人設(shè)備的方法，所述機(jī)器人設(shè)備包括主體和多個(gè)與主體相連的可移動部分，所述方法包括用于以設(shè)置在第一地面接觸位置處的所述第一局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)計(jì)算設(shè)置在主體中參照坐標(biāo)系的移動量的第一移動量計(jì)算步驟，其中在所述第一地面接觸位置處所述可移動部分中的一個(gè)接觸地面；用于以設(shè)置在第二地面接觸位置處的所述第二局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)計(jì)算該參照坐標(biāo)系移動量的第二移動量計(jì)算步驟，其中在所述第二地面接觸位置處所述可移動部分中的另一個(gè)接觸地面；以及用于計(jì)算所述第一局部坐標(biāo)系和所述第二局部坐標(biāo)系之間距離的距離計(jì)算步驟，其中在基于所述第一局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、基于所述第二局部坐標(biāo)系的參照坐標(biāo)系的移動量、以及所述局部坐標(biāo)系之間距離的基礎(chǔ)上計(jì)算所述參照坐標(biāo)系的移動量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制機(jī)器人設(shè)備的方法，其中所述機(jī)器人設(shè)備進(jìn)一步包括設(shè)置在所述主體中的傳感器可移動部分以及設(shè)置在所述傳感器可移動部分中用于檢測目標(biāo)的傳感器，其中所述方法進(jìn)一步包括用于執(zhí)行設(shè)置在所述傳感器中傳感器坐標(biāo)系與所述參照坐標(biāo)系之間坐標(biāo)變換，和用于在所述參照坐標(biāo)系的移動量基礎(chǔ)上修正由所述傳感器提供的測量值坐標(biāo)的傳感器坐標(biāo)變換步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制機(jī)器人設(shè)備的方法，其中所述測量值的坐標(biāo)修正結(jié)果被記錄和保存，并且所述傳感器坐標(biāo)變換步驟包括在所記錄和保存的修正結(jié)果上執(zhí)行坐標(biāo)變換，以便與對應(yīng)于第一地面接觸位置至第二地面接觸位置的變換的，第二地面接觸位置處地面接觸之后的坐標(biāo)修正結(jié)果相對應(yīng)。
14.一種控制機(jī)器人設(shè)備的方法，在所述機(jī)器人中，由于取向改變而引起在著地位置之間發(fā)生動態(tài)變化，所述方法包括用于通過所述外部觀察傳感器觀察外部環(huán)境并通過對應(yīng)所述外部觀察傳感器的傳感器坐標(biāo)系輸出觀察結(jié)果的觀察步驟；用于檢測著地位置之間變換的著地檢測步驟；以及用于將通過所述觀察步驟獲得的觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為預(yù)定參照坐標(biāo)系坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化步驟，其中所述觀察步驟包括連續(xù)輸出由取向改變所引起變化的觀察結(jié)果坐標(biāo)和時(shí)間信息，以及所述坐標(biāo)變化步驟包括由所述取向檢測傳感器根據(jù)觀察結(jié)果的時(shí)間信息而獲得的檢測結(jié)果中檢測在取向變化所引起變化的著地位置之間的移動量，以及根據(jù)移動量進(jìn)行的修正將觀察結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成所述參照坐標(biāo)系的坐標(biāo)，以便變換用于移動量檢測的著地位置，所述移動量為所述著地檢測步驟中著地位置之間變換的檢測結(jié)果，所述取向檢測傳感器檢測涉及至少設(shè)置在所述外部觀察傳感器至著地位置之間關(guān)節(jié)的取向變化的關(guān)節(jié)角度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的控制機(jī)器人設(shè)備的方法，其中由于取向改變引起的著地位置之間的動態(tài)變化為兩腿行走中使用的左腳和右腳的著地位置之間變化，所述取向檢測傳感器為設(shè)置在左腳和右腳關(guān)節(jié)處的角度傳感器，而所述著地檢測步驟包括根據(jù)預(yù)定閾值估算所述重量配置傳感器檢測的重量配置值之間差值，所述重量配置檢測傳感器檢測左腳和右腳上重量配置值。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的控制機(jī)器人設(shè)備的方法，其中當(dāng)所述著地檢測裝置檢測到著地位置之間轉(zhuǎn)換時(shí)，所述坐標(biāo)變換步驟包括記錄和保存坐標(biāo)變換結(jié)果，并變換所記錄和保存的坐標(biāo)變換結(jié)果，以便對應(yīng)著地位置之間的轉(zhuǎn)換。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的控制機(jī)器人設(shè)備的方法，其中進(jìn)一步包括用于合并所述坐標(biāo)變換步驟中記錄并保存的坐標(biāo)變換結(jié)果，以便在移動中反映該合并結(jié)果的移動描述步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的控制機(jī)器人設(shè)備的方法，其中參照坐標(biāo)系為自中心坐標(biāo)系，其中左腳和右腳的腳底用作參照。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的控制機(jī)器人設(shè)備的方法，其中所述參照坐標(biāo)系為廣域坐標(biāo)系。
20.一種控制機(jī)器人設(shè)備的方法，所述機(jī)器人設(shè)備包括軀體和與所述軀體相連的多個(gè)移動腿，所述方法包括用于以設(shè)置在一第一地面接觸位置處的第一局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)計(jì)算設(shè)置在身體中的參照坐標(biāo)系的移動量的第一移動量計(jì)算步驟，其中在所述第一地面接觸位置處所述可移動部分中的一個(gè)接觸地面；用于以設(shè)置在第二地面接觸位置處的第二局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)計(jì)算該參照坐標(biāo)系移動量的第二移動量計(jì)算步驟，其中在所述第二地面接觸位置處所述可移動部分中的另一個(gè)接觸地面；以及用于計(jì)算所述第一局部坐標(biāo)系和所述第二局部坐標(biāo)系之間距離的距離計(jì)算步驟；其中在基于所述第一坐標(biāo)系的移動量、基于所述第二坐標(biāo)系的移動量、以及由于接觸地面的可移動腿之間的變換引起的所述局部坐標(biāo)系之間距離的基礎(chǔ)上連續(xù)計(jì)算所述參照坐標(biāo)系的移動量。
全文摘要
應(yīng)用于例如腿式移動機(jī)器人的一種機(jī)器人系統(tǒng)。基于運(yùn)動學(xué)原理計(jì)算機(jī)器人從其已經(jīng)著地的位置到其將要著地位置之間的移動量，并根據(jù)著地位置的轉(zhuǎn)換，將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化變換至觀察參照的坐標(biāo)系。
文檔編號B25J13/08GK1697724SQ20048000026
公開日2005年11月16日 申請日期2004年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月27日
發(fā)明者佐部浩太郎, 大橋武史, 河本獻(xiàn)太 申請人:索尼株式會社