專利名稱：機器人裝置及其姿態(tài)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器人裝置及其姿態(tài)控制方法，該機器人裝置具有從翻倒狀態(tài)等異常姿勢狀態(tài)獨立地復(fù)原為正常姿勢狀態(tài)的功能。
背景技術(shù)：
以往所見的多是通過輪子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)滑行的輪式機器人和2足或4足的獨立式步行機器人等具有不同形式的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的各種形態(tài)的機器人裝置。
此類機器人裝置在各個規(guī)定的位置上設(shè)置著具有一定自由度的傳動器及檢測特定物理量的傳感器等結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。通過裝有微電腦的控制部按照各種傳感器的輸出及控制程序?qū)Ω鞣N傳動器進行個別的驅(qū)動控制，使自行或規(guī)定執(zhí)行的動作得以實現(xiàn)。又，此類機器人裝置的軀干部、腳部及頭部等各部位以具有各種預(yù)定的相關(guān)關(guān)系的狀態(tài)結(jié)合而成，并由此裝配成規(guī)定的形態(tài)。
具有2只或2只以上的多只的多足步行機器人中，有像貓、狗式的動物類形態(tài)的機器人。此種形態(tài)的多足步行機器人，以具有4只足的為例，各只足上都裝有一定數(shù)量的關(guān)節(jié)部。對此類機器人的足關(guān)節(jié)進行控制的方法，有將位置信息、速度信息通過示教進行記錄和再現(xiàn)的方法，還有采用運動模型將位置信息、速度信息通過運算生成執(zhí)行的方法。
以往對機器人裝置的控制，不論是采用示教法還是運動模型法，都是以設(shè)計者預(yù)想環(huán)境下的動作為前提。因此，在使用環(huán)境變化后，裝置的姿態(tài)出現(xiàn)意外狀況的情形時有發(fā)生。由于異常姿態(tài)對裝置的功能和結(jié)構(gòu)造成危害、故障或?qū)κ褂铆h(huán)境造成危害的可能亦隨之而生。
發(fā)明的公開鑒于上述以往機器人裝置的實際情況，本發(fā)明的目的在于防止在翻倒狀態(tài)等異常姿勢狀態(tài)時使用的機器人裝置發(fā)生故障和事故。
本發(fā)明的目的還在于提供一種機器人裝置及其姿態(tài)控制方法，它能使機器人裝置從翻倒狀態(tài)等異常姿勢狀態(tài)獨立地復(fù)原到正常的姿勢狀態(tài)。
與本發(fā)明相關(guān)的機器人裝置的特征在于具有下列裝置，即確認裝置主體的姿態(tài)并將確認結(jié)果進行輸出的姿態(tài)確認裝置；基于所述確認結(jié)果對前述裝置主體成為某種規(guī)定姿態(tài)進行判別的姿態(tài)判別裝置；在由所述姿態(tài)判別裝置進行前述規(guī)定姿態(tài)的判定后，將前述裝置主體的姿態(tài)進行修正的姿態(tài)修正裝置。
與本發(fā)明相關(guān)的機器人裝置的姿態(tài)控制方法的特征在于確認裝置主體的姿態(tài)，根據(jù)該確認結(jié)果對所述裝置主體成為某種規(guī)定的姿態(tài)進行判別，在判定了所述規(guī)定的姿態(tài)后，將所述裝置主體的姿態(tài)進行修正。
附圖的簡要說明

圖1所示，為將應(yīng)用了本發(fā)明的多足步行機器人的結(jié)構(gòu)模型化的透視圖。
圖2所示，為將用于檢測所述多足步行機器人的翻倒狀態(tài)的加速度傳感器等各種傳感器的設(shè)置狀態(tài)模型化的透視圖。
圖3所示，為將所述多足步行機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型化的方塊圖。
圖4所示，為簡化的前述多足步行機器人基本姿勢的透視圖。
圖5所示，為簡化的前述多足步行機器人由基本姿勢變?yōu)樽笄澳_抬起狀態(tài)的透視圖。
圖6所示，為簡化的前述多足步行機器人姿勢倒塌后狀態(tài)的透視圖。
圖7所示，為簡化的前述多足步行機器人姿勢沒有倒塌狀態(tài)的透視圖。
圖8所示，為前述多足步行機器人行動模式的編輯方法案例的程序框圖。
圖9所示，為前述多足步行機器人控制部所做的翻倒判定的算法案例的程序框圖。
圖10A及圖10B所示，為以所述翻倒判定處理求得的平均加速度Acc與Y-Z平面之間的偏移角θ、平均加速度Acc向Y-Z平面的投影成分與Z軸形成的角φ之關(guān)系的模式圖。
圖11所示，為由所述多足步行機器人的形狀為制約條件而確定的步行時翻倒方向與角φ之關(guān)系的模式圖。
圖12A、圖12B、圖12C及圖12D所示，為所述多足步行機器人步行時各種翻倒狀態(tài)的側(cè)面模型圖。
圖13所示，為所述多足步行機器人從翻倒狀態(tài)復(fù)原為正常姿勢狀態(tài)的動作過程的側(cè)面模型圖。
圖14所示，為所述多足步行機器人站立姿勢時接觸傳感器的接觸檢測的狀態(tài)模型圖。
圖15所示，為所述多足步行機器人坐下姿勢時接觸傳感器的接觸檢測的狀態(tài)模型圖。
圖16所示，為所述多足步行機器人站立姿勢通過CCD攝像相獲得圖像信息的狀態(tài)模型圖。
圖17A、圖17B、圖17C及圖17D所示，為在正常姿勢及異常姿勢狀態(tài)時，CCD攝像機獲得的各圖像信息的模型圖。
圖18為根據(jù)所述CCD攝像機獲得的圖像信息判定地面狀態(tài)方法的說明圖。
圖19為作為異常姿態(tài)檢測裝置設(shè)有旋轉(zhuǎn)檢測裝置的輪式機器人裝置的模型透視圖。
圖20為作為異常姿勢檢測裝置設(shè)有地面檢測裝置的輪式機器人裝置的模型透視圖。
圖21所示，為從背部翻倒狀態(tài)起復(fù)原動作的狀態(tài)變化模型圖。
發(fā)明實施的最佳形態(tài)下面，關(guān)于本發(fā)明實施的最佳形態(tài)參照圖表加以說明。
本發(fā)明適用于圖1所示結(jié)構(gòu)的多足步行機器人1。
此多足步行機器人1為多關(guān)節(jié)型機器人，呈長有4只足的動物型。多關(guān)節(jié)型機器人1有主體2、右前足3、左前足4、右后足5、左后足6、頭部7、軀干部8、尾部9等。
此多關(guān)節(jié)型機器人1右前足3、左前足4、右后足5、左后足6等的關(guān)節(jié)部10、11、12、13處設(shè)有制動機構(gòu)30。利用此制動機構(gòu)30的動作，操作者能夠以直接教學(xué)方式將右前足3、左前足4、右后足5、左后足6中任意動作部(腳)的相對位置關(guān)系進行位置示教。
主體2上設(shè)有右前足3、左前足4、左后足5、左后足6用的軸承架20、21、22、23。頭部7設(shè)于主體2的前上部，軀干部8設(shè)于從頭部7至后側(cè)的位置。尾部9從軀干部8的上方突出出來。
下面依次說明相對主體2設(shè)置的各個部分。
首先，右前足3上裝有腳3a、腳3b、軸承架20、關(guān)節(jié)部10、10a、制動機構(gòu)30、伺服馬達3c、3d、3e等。
腳3a的上端部連接于軸承架20，腳3a能夠以中心軸CL1為中心沿等頭R1方向旋轉(zhuǎn)。腳3a和腳3b由關(guān)節(jié)部10進行連接。伺服馬達3C內(nèi)藏于主體2中，伺服馬達3C工作時，軸承架20能夠以中心軸CL2為中心沿箭頭R2的方向旋轉(zhuǎn)。
伺服馬達3d工作時，腳3a能夠以中心軸CL1為中心沿箭頭R1方向旋轉(zhuǎn)。伺服電機3e工作時，腳3b相對腳3a能夠以中心軸CL3為中心沿箭頭R3方向旋轉(zhuǎn)。
左前足4上裝有腳4a、4b、軸承架21、關(guān)節(jié)部11、11a、制動機構(gòu)30、伺服馬達4c、4d、4e。
腳4a連接于軸承架21，能夠以中心軸CL4為中心沿箭頭R4方向旋轉(zhuǎn)。腳4b通過關(guān)節(jié)部11與腳4a相連。伺服馬達4c內(nèi)藏于主體2中，伺服馬達4C工作時，軸承架21以中心軸CL5為中心沿箭頭R5方向旋轉(zhuǎn)。伺服馬達4d工作時，腳4a相對軸承架21以中心軸CL4為中心沿箭頭R4方向旋轉(zhuǎn)。伺服馬達4e工作時，腳4b以中心軸CL6為中心沿箭頭R6方向旋轉(zhuǎn)。
右后足5上裝有腳5a、5b、軸承架22、關(guān)節(jié)部12、12a、制動機構(gòu)30、伺服馬達5c、5d、5e。
腳5a的上端部連接于軸承架22。伺服馬達5e工作時，軸承架22能夠以中心軸CL7為中心沿箭頭R7方向旋轉(zhuǎn)。伺服馬達5d工作時，腳5a能夠以中心軸CL8為中心沿箭頭R8方向旋轉(zhuǎn)。伺服馬達5e工作時，腳5d能夠以中心軸CL9為中心沿箭頭R9方向旋轉(zhuǎn)。
左后足6上裝有腳6a、6b、軸承架23、關(guān)節(jié)部13、13a、制動機構(gòu)30、伺服馬達6c、6d、6e。
伺服馬達6c工作時，軸承架23能夠以中心軸CL10為中心沿箭頭R10方向旋轉(zhuǎn)。伺服馬達6d工作時，腳6a能夠以中心軸CL11為中心沿箭頭R11方向旋轉(zhuǎn)。伺服馬達6e工作時，腳6b能夠以中心軸CL12為中心沿箭頭R12方向旋轉(zhuǎn)。
如上所述，右前足3、左前足4、右后足5、右后足6分別由各自的3自由度結(jié)構(gòu)的腳部件組成，并能夠以多個軸為中心由伺服馬達進行驅(qū)動。
頭部7上裝有伺服馬達7a、7b、7c、伺服馬達7a工作時，能夠以中心軸CL20為中心沿箭頭R20方向擺動。伺服馬達7b工作時，頭部7以中心軸CL21為中心沿箭頭R21方向擺動。伺服馬達7C工作時，頭部7能夠以中心軸CL22為中心沿箭頭R22方向擺動。也就是說，此頭部7為3自由度結(jié)構(gòu)。
軀干部8上裝有伺服馬達8a，此伺服馬達8a工作時，尾部9以中心軸CL23為中心沿箭頭R23方向擺動。
如圖2所示，此多關(guān)節(jié)型機器人1的主體2中內(nèi)藏有3軸(x，y，z)的加速度傳感器41，它能夠檢測出處于任意姿態(tài)的主體2的加速度及角速度。又，在頭部7上設(shè)有CCD攝像機43和話筒44。還在頭部、各腳尖、腹部、喉部、臀部、尾部設(shè)置了接觸傳感器45。如圖3所示，來自各傳感器的檢測輸出，經(jīng)總線103送至設(shè)于此多關(guān)節(jié)型機器人1的控制部100上的CPU(中央處理器)102中。
這里以圖3說明此多關(guān)節(jié)型機器人1的控制部100與右前足3、左前足4、右后足5、左后足6、頭部7、尾部9的各關(guān)節(jié)軸驅(qū)動用伺服馬達及位置傳感器的連接關(guān)系。
控制部100包括存儲器101和CPU(中央處理器)102。CPU102的總線103連接著前述右前足3、左前足4、右后足5、左后足6、頭部7、尾部9的各部件。
右前足3上裝有伺服馬達3c、3d、3e和位置傳感器3P1、3P2、3P3，伺服馬達3c、3d、3e分別連接于驅(qū)動裝置30，同時，位置傳感器3P1、3P2、3P3也分別連接在驅(qū)動裝置3D上。各驅(qū)動裝置3D連接于總線103。
同樣，左前足4的伺服馬達4c、4d、4e、位置傳感器4P1、4P2、4P3連接在驅(qū)動裝置4D。右后足5的伺服馬達5c、5d、5e、位置傳感器5P1、5P2、5P3分別連接于驅(qū)動裝置5D。左后足6的伺服馬達6c、6d、6e、位置傳感器6P1、6P2、6P3連接于驅(qū)動裝置6D。
頭部7的伺服馬達7a、7b、7c、位置傳感器7P1、7P2、7P3連接于驅(qū)動裝置7D。尾部9的伺服馬達9a和位置傳感器9P1連接于驅(qū)動裝置9D。
右前足3的各位置傳感器3P1、3P2、3P3；左前足4的各位置傳感器4P1、4P2、4P3，右后足5的各位置傳感器5P1、5P2、5P3及左后足6的各位置傳感器6P1、6P2、6P3分別用來獲得其所在位置的位置信息。這些位置傳感器可使用關(guān)節(jié)角度檢測用的電位計等旋轉(zhuǎn)角傳感器。由此類旋轉(zhuǎn)角式位置傳感器3P1～6P3獲得的位置信息一旦反饋至CPU102，則CPU102便根據(jù)該反饋的位置信息向驅(qū)動裝置發(fā)出指令，與之相應(yīng)的驅(qū)動裝置便對相應(yīng)的馬達進行伺服控制，伺服馬達便旋轉(zhuǎn)到CPU102指令要求的位置。
圖4～圖7，為將圖1所示的多足步行機器人1進一步簡單化的示意圖。在軀干部8上裝有頭部7、右前足3、左前足4、右后足5、左后足6、各足3～6上分別設(shè)有關(guān)節(jié)部10、11、12、13、30、30、30、30。
圖4所示多足步行機器人1的姿勢是右前足3、左前足4、右后足5、左后足6完全伸直的基本姿勢。圖5所示，是從圖4的基本姿勢變?yōu)樽笄白?的關(guān)節(jié)部11和關(guān)節(jié)部30被驅(qū)動后的狀態(tài)。
圖4所示多足步行機器人1的右前足3、左前足4、右后足5、左后足6四只腳與地面300接觸。在圖5的狀態(tài)中，由于左前足4的關(guān)節(jié)部11、30被驅(qū)動，因此呈現(xiàn)為左前足4向前方突出的姿勢。
操作者在確定這樣的多足步行機器人1的左前足4的左足肘處的關(guān)節(jié)部11與對應(yīng)左前肩的相應(yīng)的關(guān)節(jié)部30的角度時，進行了下述的多足步行機器人動作模式的編輯工作。
就圖4和圖5所示的多足步行機器人1以及對這樣的關(guān)節(jié)部件11、30進行驅(qū)動的編輯作業(yè)來說，如圖2所示的控制部100的外部編輯指令電腦400能夠在軟件上算出圖5所示的多足步行機器人1的重心WO的位置，并為使多足步行人1不在該重心WO的位置翻倒，能夠?qū)⑵渌淖笄白?、右后足5、左后足6中的至少一只足關(guān)節(jié)部的角度自動設(shè)定。此指令從所述外部編輯指令電腦400發(fā)至所述控制部的CPU102，由此，CPU102便能夠?qū)ο鄳?yīng)足的伺服馬達發(fā)出動作指令。
此時，多足步行機器人1的各部位的重量，即軀干部8和主體2的重量、右前足3、左前足4、右后足5、左后足6、頭部7的各部位重量都預(yù)存在外部編輯指令電腦400的存儲器402中，根據(jù)這些重量數(shù)據(jù)，能夠計算出圖4所示的多足步行機器人1的重心WO的位置。
下面參照圖8，舉例說明多足步行機器人動作模式的編輯方法。
首先在步驟S1中，在所述多足步行機器人1的存儲器101中預(yù)存著所述多足步行機器人1的各結(jié)構(gòu)部的重量、形狀等信息，即預(yù)存著主體2、軀干部8、頭部7、右前足3、左前足4、右后足5、左后足6、尾部9等各部件的重量、形狀的信息。然后將信息從存儲器101轉(zhuǎn)移到外部編輯指令電腦400的存儲器402中。這便是步驟S1所做的重量、形狀等的信息獲取。
接著在步驟S2中開始對所述多足步行機器人1進行姿態(tài)的編輯。即使其從圖4所示的基本姿態(tài)獲得圖5所示的左前足4向前突出的姿態(tài)。此時，對可關(guān)節(jié)部11和關(guān)節(jié)部30進行動作示教，但若不執(zhí)行該動作，如圖6所示多足步行機器人1的重心將因向右前足4一側(cè)的移動造成機器人向左前方翻倒。
為防止這種多足步行機器人1向前傾倒，如圖5所示，在將左前足4向前彎曲，使關(guān)節(jié)部11、30轉(zhuǎn)動時，在步驟S3中，圖3所示的控制部100的外部編輯指令電腦400將多足步行機器人1的重心WO如圖5那樣相對主體2及軀干部8沿后方T進行新的重心W1的計算，并將其數(shù)據(jù)作為新的計算后的重心值。為要這樣將重的WO移到新的重心W1上，就要如圖7所示的那樣使右前足3、右后足5、左后足6的關(guān)節(jié)部10、12、13及關(guān)節(jié)部30、30、30轉(zhuǎn)動。驅(qū)使這一運動的便是外部編輯指令電腦400。
此時，為確實取得多足步行機器人1的平衡，對右前足3、右后足5、左后足6的關(guān)節(jié)部10、12、13及30、30、30所施加的轉(zhuǎn)動以實施步驟S4、S5為宜，即，對于多足步行機器人1的新的重心W1對觸地面300的投影點1M，恰在三角形重心位置所適范圍AR內(nèi)。這個所適范圍AR是右前足3的觸地點CP1與右后足5的觸地點CP2、左后足6的觸地點CP3三點相連形成的三角型區(qū)域。
一般情況下，重心W1的投影點1M都在這一所適范圍AR之內(nèi)，因此多足步行機器人1在不至翻倒的狀態(tài)能夠令右前足3、左后足5、左后足6上的關(guān)節(jié)部10、12、13及關(guān)節(jié)部30、30、30轉(zhuǎn)動，并能夠以最少的動作選擇這種穩(wěn)定的姿態(tài)。
將圖5與圖7進行比較后可知，當操作者令多足步行機器人做左前足4向前突出的姿勢時，重心便自動地從WO移向W1，多足步行機器人1變?yōu)楹髠?cè)整體降低的狀態(tài)。這樣一來，在步驟3中進行重心位置計算后，在步驟4中對多足步行機器人1是否會翻倒進行判斷，若會翻倒，外部編輯指令電腦400便對其他關(guān)節(jié)部的轉(zhuǎn)動(角度計)進行計算或變更，然后再次回到步驟S3進行重心位置的計算。
如果步驟S4中確認為不翻倒，外部編輯指令電腦400便將其轉(zhuǎn)移到步驟S6，結(jié)束多足步行機器人1的動作模式的編輯。在結(jié)束了這種編輯后，外部編輯指令電腦400便對多足步行機器人1的CPU102進行正式的動作模式輸入(步驟7)。
此多足步行機器人1根據(jù)內(nèi)藏于本體2中3軸(x，y，z)的加速度傳感器41檢測的各軸(x，y，z)方向的加速度信息AccXt、AccYt、AccZt通過所述控制部100進行翻倒檢測，在檢測到翻倒狀態(tài)時，便采取措施，進行復(fù)原為正常姿勢狀態(tài)的姿態(tài)復(fù)歸。
這里，以圖9的程序框圖來表示所述控制部100所做的位置判斷算法。
即，所述控制部100根據(jù)所述加速度傳感器41檢測到的各軸(x，y，z)方向的加速度信息AccXt、AccYt、AccZt，進行如下翻倒檢測。
首先是翻倒判斷處理，先將步驟S11中對數(shù)據(jù)緩沖器的原始加速度信息AccXt、AccYt、AccZt進行清除，并將數(shù)據(jù)緩沖器的時間標記加以變更。此多足步行機器人1中數(shù)據(jù)緩沖器的緩沖量為各軸50。
AccXk→AccXk+1(k＝0～n-1)(式1)AccYk→AccYk+1(k＝0～n-1)(式2)AccZk→AccZk+1(k＝0～n-1)(式3)在下一步驟S12中，將所述加速度傳感器41測定的各軸(x，y，z)方向的加速度信息AccXt、AccYt、AccZt存入數(shù)據(jù)緩沖器。這一數(shù)據(jù)更新的比例對此多足步行機器人1來說為10ms。
AccXo→AccXt (式4)AccYo→AccYt (式5)AccZo→AccZt (式6)
在下一步驟S13中，將從數(shù)據(jù)緩沖器的數(shù)據(jù)計算出各軸(x，y，z)方向的時間平均加速度AccXt、AccYt、AccZt。
AccX＝∑AccXk/n(k＝0～n)(式7)AccY＝∑AccYk/n(k＝0～n)(式8)AccZ＝∑AccZk/n(k＝0～n)(式9)在下一步驟S14中，求出平均加速度Acc與Y-Z平面之間的偏角θ、平均加速度Acc向Y-Z平面的投影成分與Z軸形成的角φ(參見圖10A及圖10B)。
Acc＝(AccX2+AccY2+AccZ2)1/2(式10)θ＝asin(AccY/((AccY2+AccZ2)1/2))(式11)φ＝asin(AccZ/Acc)(式12)在下一步驟S15中，對平均加速度(歐幾里得距離)Acc是否在允許誤差(ΔAcc)范圍之內(nèi)進行判斷。若在誤差范圍之外時，則認為由于受到拿起等從外部施加的強力，便從翻倒判斷處理狀態(tài)退出。
Acc＞1.0+ΔAcc[G]或Acc＜1.0-ΔAcc[G]→處理例外(式13)
在下列步驟S16中，平均加速度Acc與Y-Z平面之間的偏角θ、以及平均加速度Acc向Y-Z平面的投影成分與Z軸形成的角φ，和以當前姿勢狀態(tài)為基準的平均加速度Acc與Y-Z平面之間的基準偏角以及平均加速度Acc向Y-Z平面的投影成分與Z軸的基準角φm相比較，若分別在允許誤差(Δθm，Δφm)范圍之內(nèi)，便視為姿態(tài)正常；超出范圍之外時，則判斷為翻倒或異常姿態(tài)，處于步行狀態(tài)時，θ＝-π/2、φ＝任意。
θ＞θm+Δθm or θ＜θm-Δθm(式14)φ＞φm+Δφm or φ＜φm-Δφm(式15)這里所謂翻倒現(xiàn)象是指對于角速度的取樣周期呈極低頻率的現(xiàn)象。因此，作為翻倒檢測的數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)緩沖器的獲取某一時間的平均值，能夠減少因瞬間性的干擾造成的誤判。此方法在進行數(shù)據(jù)處理時與數(shù)字濾波器等低通濾波處理相比，具有負荷小的優(yōu)點。
在所述由翻倒判斷處理檢測出翻倒時(步驟S17)，轉(zhuǎn)向翻倒復(fù)歸步驟S18，進行如下恢復(fù)正常姿態(tài)的姿態(tài)轉(zhuǎn)變。
即，在姿態(tài)轉(zhuǎn)變處理中，先根據(jù)翻倒檢測時算出的平均加速度Acc與Y-Z平面之間的偏角θ、平均加速度Acc的Y-Z投影成分與Z軸形成的角φ進行翻倒方向的判斷。在此多足步行機器人1中，因受形狀的制約，其步行時的翻倒僅預(yù)設(shè)圖11的(A)、(B)、(C)、(D)所示的4個方向，由0＜φ＜(1/4)π或-(1/4)π＜φ＜0 (式16)判斷圖12A所示的前方倒狀態(tài)(head Side Down)是否存在，由(1/4)π＜φ＜(3/4)π (式17)判斷圖12B所示的右側(cè)翻倒狀態(tài)(Right Side Down)是否存在，由-(1/4)π＞φ＞-(3/4)π(式18)判斷圖12C所示的左側(cè)翻倒狀態(tài)(Left Side Down)是否存在，再由(3/4)π＜φorφ＞-(3/4)π (式19)判斷圖12D所示的后方翻倒狀態(tài)(Tail Side Down)是否存在。
然后，為從預(yù)存在存儲器101中的所述4個翻倒狀態(tài)(Head SideDown，Right Side Down，Left Side Down，Tail Side Down)進行姿態(tài)復(fù)原，通過采用軌道計劃數(shù)據(jù)的回放進行向正常姿勢的復(fù)原。同樣，在實行所述翻倒復(fù)原動作過程中，存在著翻倒狀態(tài)發(fā)生變化的情況。如，本是前方低下且翻倒了的前方翻倒狀態(tài)(Head Side Down)，在翻倒復(fù)原動作開始執(zhí)行后又變成了側(cè)面翻倒狀態(tài)。出現(xiàn)這種情況時，機器人能夠迅速終止當前執(zhí)行中的翻倒復(fù)原動作，通過再次執(zhí)行檢測翻倒復(fù)原動作，迅速執(zhí)行從翻倒狀態(tài)起的復(fù)原動作。
這里，圖13所示，為模式化的前方翻倒狀態(tài)(Head Side Down)向正常姿態(tài)的復(fù)原動作的過程。
為實行從所述前方翻倒狀態(tài)起姿態(tài)復(fù)原的軌道計劃數(shù)據(jù)，可由操作者采用所述的直接教學(xué)方式預(yù)先將此多關(guān)節(jié)型機器人1的右前足3、左前足4、右后足5、左后足6的相對位置通過位置示教生成后存儲在所述存儲器101中。
需要說明的是，此多關(guān)節(jié)機器人1根據(jù)內(nèi)藏于主體2中的3軸(x，y，z)的加速度傳感器41產(chǎn)生的加速度信息由所述控制部100進行翻倒判斷，并完成了從所述4種翻倒狀態(tài)(Head Side Down，RightSide Down，Left Side Down，Tail Side Down)復(fù)原到正常姿勢狀態(tài)的復(fù)原動作。其實，所述控制部100也可以根據(jù)所述內(nèi)藏于主體2中的角速度傳感器、角加速度傳感器、傾斜傳感器等的檢測輸出進行翻倒判斷，并完成復(fù)原到正常姿勢狀態(tài)的復(fù)原動作。再則，所述控制部100還可以綜合利用各種傳感器的檢測輸出進行翻倒判斷，并完成復(fù)原到正常姿勢狀態(tài)的復(fù)原動作。
作為4腳型的機器人裝置，可以通過內(nèi)部的姿態(tài)模型同設(shè)于腳尖、主體各部位的接觸傳感器的輸出相比較，進行異常狀態(tài)的檢測。
比如圖14所示的站立姿勢，接觸傳感器45A、45B、45C中只有腳尖的接觸傳感器45A、45B檢測為接觸狀態(tài)，而在圖15所示的坐姿并用手時，后腳尖的接觸傳感器45B和尾部設(shè)置的接觸傳感器45C檢測為接觸狀態(tài)。于是，將機器人裝置執(zhí)行著的姿勢和當時接觸傳感器45的理想狀態(tài)預(yù)存在裝置主體內(nèi)，通過對姿態(tài)執(zhí)行中的接觸傳感器45的輸出進行比較，能夠?qū)崿F(xiàn)異常姿態(tài)的檢測。
又，設(shè)有圖像輸入裝置的機器人裝置能夠通過識別路面取得其位置與裝置當前欲做姿勢的關(guān)系，實現(xiàn)對異常姿態(tài)的檢測。
即，當所述多關(guān)節(jié)型機器人1如圖16所示將站立姿勢作為正常狀態(tài)時，對應(yīng)CCD攝像機43的攝像輸出，其正常姿勢時得到的是圖17A所示的地面F呈水平狀態(tài)的圖像。相反，在異常姿勢時得到的是圖1 7B所示的地面F的天地顛倒了的圖像或圖17C、圖17D所示的地面F傾斜了的圖像。因此，通過對所述CCD攝像機43攝像輸出得到的圖像中地面F的狀態(tài)進行判斷，就能夠檢測出異常姿勢狀態(tài)。
為判斷所述圖像中地面F的狀態(tài)，如圖18所示，先返復(fù)檢測圖像坐標系中Y方向的邊緣，再由求得的多個檢測位置坐標求出線段，最后由求得的線段求出所述地面F的橫向邊緣。同樣，由X方向的邊緣檢測的結(jié)果得到的檢測位置坐標求出所述地面F的縱向邊緣。進一步，最好通過二者的結(jié)合，進行傾斜后的地面F的線段檢測。
在利用車輪做移動機構(gòu)的輪機器人裝置中，使用環(huán)境限定為車輪與地面接觸狀態(tài)，所以最好用下列方法進行異常姿態(tài)的檢測。
即，如圖19所示，由安裝在非驅(qū)動軸上的旋轉(zhuǎn)檢測裝置RD檢測到的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)輸出裝置RO要求的旋轉(zhuǎn)不同時，測出這一狀態(tài)，就能夠進行異常姿態(tài)的檢測。
或如圖20所示，通過設(shè)置地面檢測裝置FD，能夠?qū)Ψ沟犬惓Ｗ藨B(tài)進行檢測。作為所述地面檢測裝置FD，也可使用具有發(fā)光與受光部的非接觸型傳感器或微動開關(guān)等接觸式傳感器裝置。
這里，在以回放方式進行翻倒復(fù)原動作時，根據(jù)機器人裝置的形狀，從翻倒狀態(tài)起的復(fù)原動作限定為某種特定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。作為所述多關(guān)節(jié)型機器人1類的4腳型機器人裝置，存在著6種狀態(tài)，即前述的4種翻倒狀態(tài)(Head Side Down，Right Side Down，Left Side Down，Tail Side Down)以及后背著地的背部翻倒狀態(tài)(Back Side Down)還有腹部著地的伏臥狀態(tài)(stomach Side Down)。從翻倒到復(fù)原，必定經(jīng)過伏臥狀態(tài)(Stomach Side Down)。當處于背部翻倒狀態(tài)(BookSide Down)時，如圖21所示，在到達伏臥狀態(tài)(Stomach Side Down)之前，必定要經(jīng)過前述4種翻倒狀態(tài)(Head Side Down，Right SideDown，Left Side Down，Tail Side Down)中的某一種狀態(tài)。利用這一性質(zhì)，在以檢測翻倒時采用將翻倒的復(fù)原動作加以細化、生成回放的動作數(shù)據(jù)，再結(jié)合翻倒狀態(tài)的變化進行再生的方法對機器人裝置進行控制的話，當遇到無法預(yù)測的外因翻倒狀態(tài)發(fā)生變化時，能夠立即進行翻倒復(fù)原動作的切換，再則，這樣做能夠?qū)⒏鞣N復(fù)原動作進行分割后再生成復(fù)原動作數(shù)據(jù)，使動作數(shù)據(jù)的生成變得很容易。
相反，不采用這種方法，遇到諸如把從背部翻倒狀態(tài)(Book SideDown)起的復(fù)原動作作為一個動作并生成復(fù)原動作數(shù)據(jù)并再生時，將產(chǎn)生下列幾個問題。
1.即使由于外部作業(yè)發(fā)生強制性使姿勢向正常的狀態(tài)變化，也非要等到復(fù)原動作執(zhí)行完了才能轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱粍幼鳌?br> 2.當所述復(fù)原動作數(shù)據(jù)比如是以經(jīng)由左側(cè)翻倒狀態(tài)(Left SideDown)為準而生成的時，一旦由于外部原因(如地面有凸起等)變?yōu)槠渌臓顟B(tài)(如右側(cè)翻倒狀態(tài)(Right Side Down))，就無法依靠復(fù)原動作進行復(fù)原，形成無效作業(yè)。
3.采用這些方法，當翻倒狀態(tài)暫時變化時，若先停止執(zhí)行中的作業(yè)，再將動作重新糾正的話，由于產(chǎn)生不連貫的動作，增加了關(guān)節(jié)部的負荷。
綜上所述，本發(fā)明涉及的機器人裝置，能夠識別裝置主體的姿勢，并根據(jù)該識別結(jié)果判斷所述裝置主體已完成的規(guī)定的姿勢。在判斷到所述規(guī)定的姿勢后，通過對所述裝置主體的姿勢進行修正，能夠從異常的姿勢狀態(tài)自動地復(fù)原到正常的姿勢狀態(tài)。
因此，本發(fā)明可以提供一種能夠從翻倒狀態(tài)等異常的姿勢狀態(tài)獨立地復(fù)原成通常的姿勢狀態(tài)的機器人裝置。
由于本發(fā)明涉及的機器人裝置具有從異常的姿勢狀態(tài)獨立地復(fù)原為正常的姿勢狀態(tài)的功能，因此能夠防止在翻倒狀態(tài)等異常姿勢狀態(tài)下使用造成的機器人裝置的故障及事故的發(fā)生。
并且它能夠防止使用環(huán)境遭到破壞，還能夠?qū)⑹褂谜邚淖藙輳?fù)原的作業(yè)中解放出來。
權(quán)利要求
1.一種機器人裝置，其特征在于具有識別裝置主體的姿勢并輸出識別結(jié)果的姿勢識別裝置；根據(jù)所述識別結(jié)果，判別所述裝置主體已成為規(guī)定姿勢的姿勢判別裝置；在由所述姿勢判別裝置判別到所述規(guī)定的姿勢時，對所述裝置主體的姿勢進行修正的姿勢修正裝置。
2.權(quán)利要求1所述的機器人裝置，其特征在于所述姿勢識別裝置是傳感器；所述姿勢修正裝置根據(jù)所述姿勢判別裝置的判別結(jié)果進行與所述判別結(jié)果相應(yīng)的姿勢修正。
3.權(quán)利要求2所述的機器人裝置，其特征在于所述姿勢判斷裝置判斷的所述規(guī)定的姿勢是所述裝置主體的翻倒姿勢。
4.權(quán)利要求3所述的機器人裝置，其特征在于所述翻倒姿勢至少為前方的翻倒姿勢、后方翻倒姿勢、右側(cè)翻倒姿勢、左側(cè)翻倒姿勢中的一種。
5.權(quán)利要求2所述的機器人裝置，其特征在于所述傳感器為圖像識別傳感器。
6.權(quán)利要求2所述的機器裝置，其特征在于所述傳感器為接觸傳感器。
7.權(quán)利要求6所述的機器人裝置，其特征在于所述裝置主體具有步行裝置；所述接觸傳感器設(shè)置于所述步行裝置的底面附近。
8.權(quán)利要求2所述的機器人裝置，其特征在于所述傳感器為加速度傳感器；所述姿勢判別裝置至少根據(jù)所述加速度傳感器輸出的大小及/或根據(jù)由所述加速度傳感器輸出算出的加速度方向?qū)λ鲆?guī)定的姿勢進行判斷。
9.權(quán)利要求8所述的機器人裝置，其特征在于所述姿勢判別裝置判斷的所述規(guī)定姿勢是所述裝置方體的翻倒姿勢。
10.權(quán)利要求9所述的機器人裝置，其特征在于所述翻倒姿勢至少為前方翻倒姿勢、后方翻倒姿勢、右側(cè)翻倒姿勢、左側(cè)翻倒姿勢中的一種。
11.權(quán)利要求2所述的機器人裝置，其特征在于具有存儲與所述裝置主體的姿勢相應(yīng)的姿勢修正動作信息的存儲裝置；由所述存儲裝置讀出所述姿勢修正信息的讀出裝置；所述姿勢修正裝置根據(jù)讀出的所述姿勢修正動作信息對所述裝置主體的姿勢進行修正。
12.權(quán)利要求11所述的機器人裝置，其特征在于在所述存儲裝置中存儲著多個所述姿勢修正動作信息；所述讀出裝置讀出在多個所述姿勢修正動作信息中與所述判斷裝置的判斷結(jié)果相應(yīng)的姿勢修正動作信息。
13.權(quán)利要求12所述的機器人裝置，其特征在于所述姿勢判別裝置的判斷結(jié)果是所述裝置主體的翻倒姿勢。
14.權(quán)利要求13所述的機器人裝置，其特征在于所述翻倒姿勢至少是前方翻倒姿勢、后方翻倒姿勢、右側(cè)翻倒姿勢、右側(cè)翻倒姿勢的一種。
15.一種機器人裝置的姿態(tài)控制方法，其特征在于識別裝置主體的姿勢，根據(jù)其識別結(jié)果判別所述裝置主體已成為規(guī)定的姿勢；在判斷出所述規(guī)定的姿勢時，將所述裝置主體的姿勢進行修正。
全文摘要
根據(jù)加速度傳感器41的檢測輸出獲得的加速度信息通過CPU102對裝置主體的姿勢狀態(tài)為與正常的姿勢狀態(tài)不同的異常的姿勢狀態(tài)進行識別,使用預(yù)先生成并存儲在存儲器101中的由某種翻倒狀態(tài)起進行姿勢復(fù)原的軌道計劃數(shù)據(jù),通過回放,控制各種驅(qū)動裝置30～70,完成向正常姿勢狀態(tài)的復(fù)原動作。
文檔編號G06F19/00GK1274310SQ9980131
公開日2000年11月22日 申請日期1999年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月9日
發(fā)明者山本隆司 申請人:索尼公司