CN100398269C - 移动设备、以及用于控制该移动设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种移动设备包括具有独立且同时驱动的左轮和右轮的移动装置。移动设备可通过以彼此相反的方向旋转所述轮而绕其轴旋转。移动设备还包括传感器，用来检测前方的障碍。在通过以相反的方向旋转左轮和右轮而作360度旋转的同时，移动设备激活传感器，以确定附近的障碍的存在。然后移动设备将被确定为不包含障碍的区域确定为移动设备可自由来回移动的区域。

Description

移动设备、以及用于控制该移动设备的方法

相关申请的交叉引用

本发明包含与于2004年9月15日提交至日本专利局的日本专利申请JP2004-268601相关的主题，通过引用而将其全部内容合并于此。

技术领域

本发明涉及诸如有腿机器人或有轮机器人之类、包括移动装置的移动设备、以及用于控制该移动设备的方法，并且，尤其涉及使用移动装置自主地移动的移动设备、以及用于控制该移动设备的方法。

更具体地，本发明涉及检测障碍、并在避免与障碍碰撞的同时自主移动或进行其它任务的移动设备，以及用于控制该移动设备的方法，并且，尤其涉及可靠地检测障碍并有效地避免与障碍碰撞的移动设备、以及用于控制该移动设备的方法。

背景技术

电力或磁力地执行类似人类(human-like)移动的机器被称为“机器人”。术语“机器人”从斯拉夫词语“ROBOTA(奴隶机器)”衍生而来。在日本，机器人在20世纪60年代末变得流行。它们中的绝大多数是针对于工厂制造中的自动或无人操作的工业机器人，如操纵器或传送器机器人。

例如，包括诸如轮和可移动腿之类的移动装置的机器人可在生活环境中与人类共存，并可自主地移动或进行其它任务。

有轮机器人在它们的移动速度和效率方面具有优势。有轮移动机器人的例子包括：用于危险环境的六轮交通工具，其在灾难场所工作(例如，参照N.Kimura，T.Kamigaki，N.Suzuki，A.Nishikawa and N.Yamamoto所著，“Locomotion Mechanism and Control Architecture for Disaster Preventing Robot(用于救灾机器人的移动机构和控制架构)”，1991 International Symposium onAdvanced Robot Technology(′91 ISART)，375-380页，1991)；以及腿-轮(leg-wheel)移动设备(参照H.Adachi，N.Koyachi，T.Arai，A.Shimizu and Y.Nogami所著，“Mechanism and Control of a Leg-Wheel Hybrid Mobile Robot(腿-轮混合移动机器人的机构和控制)”，International Conference on IntelligentRobots and System Proc.1792-1797页，1999)。由于履带式装置(crawler)使用连续的履带，所以履带式装置可被认为是广义上的轮。因此，为了移除地雷而开发的COMET-III也被包括在所述例子中(例如，参照URL：http://mec2.tm.chiba-u.jp/～nonami/)。

相反，有腿移动机器人具有很高的地形适应能力，并可执行灵活的移动操作，所以有腿移动机器人适于不平坦的地面、具有一些障碍的步行表面(walking surface)、以及诸如楼梯和梯子之类需要爬上和爬下的不平坦步行表面。近来，对作为仿真诸如人类和猴子之类的两足动物的身体机构和移动的机器人的有腿移动机器人的研究和开发已经取得了进展，并且实践应用的前景得到了发展(例如，参照日本未审查专利申请公开第13-129775号)。

为了在与人类共存的同时自主地操作，移动机器人设备可检测分布在人类的生活环境中的各种障碍，并可在避免与障碍碰撞的同时移动和执行其它任务。

通常，为避免与障碍的碰撞，在自主移动设备中提供了障碍检测装置(例如，超声波传感器或红外传感器)。

例如，提出了这样的自主移动设备，其中自主移动设备在避免与所检测出的障碍碰撞的同时移动到目的地(例如，参照日本未审查专利申请公开第2002-202815号)。该自主移动设备包括：扫描传感器，用于通过沿自主移动设备的移动方向扫描水平面来检测障碍的位置；以及非扫描障碍传感器，用于在与所扫描的平面不同的空间中检测障碍。在典型的情形下，自主移动设备基于扫描传感器的输出检测障碍。如果扫描传感器输出障碍检测信号，则自主移动设备激活非扫描传感器。随后，自主移动设备基于来自这两个传感器的输出、估计障碍的位置或存在障碍的区域。由此，自主移动设备可基于障碍检测信号控制自身移动到目的地。

然而，大多数检测障碍并避免与障碍碰撞的移动机器人将在移动方向上的区域视为用于检测障碍的区域。

例如，两足移动机器人可通过将左腿和右腿交替地切换为支撑腿和空闲腿、而实现步行的移动操作。基本上，左和右腿每条的髋关节、膝关节、以及踝关节可绕其俯仰轴(pitch axis)自由地旋转，以便两足移动机器人面向移动方向。在此情况下，即使障碍检测区域仅处于移动方向上，也不会出现问题。

然而，当机器人向后移动时，难以在面对向前方向的同时执行障碍检测处理。因而，机器人可调转180度来改变移动方向，以便移动方向对准该方向，以检测障碍。

近来，已提出了这样的机器人设备，其中，该机器人设备实现了诸如舞蹈之类、身体的每一个部分以各种形式协作的移动(例如，参照日本未审查专利申请公开第2004-181613号)。在此情况下，由于将所有方向都切换为移动方向，所以，机器人设备需要在该机器人设备周围360度中识别障碍。然而，在仅在单个方向上检测障碍的系统中，该系统很可能不能获取足够的信息来避免与障碍碰撞。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种高级的移动设备，以及用于控制具有移动部分并能够进行自主移动操作的、诸如有腿机器人和有轮机器人的移动设备的方法。

根据本发明的实施例，还提供了一种高级的移动设备、以及控制该移动设备的方法，该移动设备能够在检测障碍、并避免与障碍碰撞的同时进行移动，并能够进行其它自主操作。

根据本发明的实施例，还提供了一种高级的移动设备、以及控制该移动设备的方法，该移动设备能够可靠地检测障碍，并有效地避免与障碍碰撞。

根据本发明的实施例，该移动设备包括：移动装置，用于执行包括向前和向后移动在内的移动操作；障碍检测装置，用于检测移动设备附近的障碍；控制装置，用于通过将被确定为不包含障碍的区域确定为移动设备可自由来回移动的自由区域、控制移动装置的移动操作。

在该移动设备中，移动装置可包括多个移动腿和轮，例如，被独立且同时驱动的左轮和右轮。在此情况下，移动装置可通过以相同的速度旋转左轮和右轮而直线向前移动，移动装置可通过以不同的速度旋转左轮和右轮而左转或右转，而且移动装置可通过以彼此相反的方向旋转左轮和右轮而绕其轴旋转。

该移动设备可包括传感器，例如超声波传感器或红外传感器，以检测前方的障碍。障碍检测装置可激活传感器，以在通过移动部分的操作而绕其轴旋转的同时确定附近障碍的存在。

当然，移动设备可包括多个传感器，以检测在所有方向上的障碍。然而，在此情况下，成本随着传感器的数目的增加而增加。相反，如果移动设备通过使用绕其轴的旋转操作来检测障碍，那么对于检测移动设备前方的障碍来说，仅有一个传感器就足够了。

根据本发明的实施例，移动设备将被确定为不包含障碍的区域确定为移动设备可自由来回移动的自由区域，此后，在所获取的自由区域中，移动设备自由地来回移动，并执行预定操作而不激活障碍检测装置。也就是说，一旦移动设备获取了自由区域，则移动设备便可以沿所有方向自由移动，而在不使用用于检测障碍的传感器。

障碍检测装置可移动到一个位置，以在绕其轴旋转的同时检测附近的障碍，并可识别出在每个位置附近的障碍。控制部分可使用地图信息记下在每个位置处所检测的障碍。

如上所述，本发明可提供一种高级移动设备、以及用于控制具有移动装置并能够进行自主移动操作的、诸如有腿机器人和有轮机器人之类的移动设备的方法。

本发明还提供了一种高级移动设备、以及用于控制该移动设备的方法，该移动设备能够在检测障碍并避免与障碍碰撞的同时进行移动，并能够进行其它自主操作。

本发明还提供了一种高级移动设备、以及用于控制该移动设备的方法，该移动设备能够可靠地检测障碍，并有效地避免与障碍碰撞。

根据本发明的实施例，一种机器人设备包括由独立且同时驱动的左轮和右轮组成的移动装置。机器人设备可通过以彼此相反的方向旋转左轮和右轮而绕其轴旋转。另外，机器人设备包括用来检测前方的障碍的传感器。在通过以相反的方向旋转左轮和右轮而绕其轴作360度旋转的同时，机器人设备激活传感器以确定附近的障碍的存在。然后机器人设备将被确定为不包含障碍的区域确定为机器人设备100可自由来回移动的区域。

特别地，根据本发明的实施例、基于移动设备所进行的障碍检测的障碍躲避操作在需要检测附近360度的障碍时是有效的。例如，舞蹈需要检测机器人设备周围360度区域中的障碍，以便机器人设备可沿所有方向而频繁地移动或旋转。

根据本发明的实施例，移动设备预先识别出不包含障碍的区域。因而，一旦移动设备识别出该区域，则在移动设备每一次沿所有方向移动或旋转时，就不需要障碍检测操作。结果，移动设备可平滑地执行如移动操作之类的预定操作。

通过下面参照附图对示范实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1示意地说明根据本发明实施例的机器人设备100的功能结构；

图2示意地说明独立驱动的轮移动部分的结构；

图3A和3B分别说明了其中机器人设备试图通过绕其轴旋转来检测障碍的状态，以及其中机器人设备基于对障碍的检测结果、而试图避免与障碍碰撞的状态；以及

图4说明了基于对障碍的检测结果、而避免与障碍碰撞的操作的流程图。

具体实施方式

下面通过参照附图来详细地描述本发明的实施例。

本发明涉及具有移动部分、并能够执行自主移动操作的机器人设备。如此处所使用的那样，例如移动部分可由多个可移动腿和轮组成。在此实施例中，作为示例描述了具有独立驱动的轮移动部分的机器人设备，其中该轮移动部分包括独立且同时驱动的左轮和右轮。显然，可将本发明以相同方式应用于有腿移动机器人。

图1示意性地说明了根据本发明实施例的机器人设备100的功能结构。如图1所示，机器人设备100包括：控制单元120，用于进行对全部操作和其它数据处理的完全控制；输入和输出单元140；驱动单元150；以及电源单元160。接下来描述每个单元。

输入和输出单元140包括：电荷耦合器件(CCD)摄像机115，其用作用来检测外部环境的输入单元并对应于机器人设备100的眼；对应于耳朵的麦克风116；以及对应于触觉感知的触摸传感器118或对应于五种感觉的各种其它传感器。为了向用户提供反馈，输入和输出单元140还包括以下输出单元：对应于嘴的扬声器117；或者LED指示器119，其通过发射光的组合、或通过发射光的定时，来表示面部表情。因此，所述输出单元可以除了四肢的机械移动模式之外的形式、实现从机器人设备100到用户的反馈。

由于机器人设备100包括摄像机115，所以，机器人设备100可识别出工作空间中存在的任意对象的形状和颜色，并还可识别出障碍。除了如摄像机的可视机构之外，机器人设备100还可包括障碍检测传感器114，其接收诸如红外光、声波、超声波、以及无线电波之类的发射波。在此情况下，机器人设备100可通过基于检测发射波的传感器的输出检测发射源的位置和方向，来识别出在发射波的移动方向上的障碍。

驱动单元150是用于根据由控制单元120所指示的预定移动模式、而实现机器人设备100的机械移动的功能块。例如，驱动单元150由被安装在每个独立驱动轮上的驱动器单元(drive unit)组成。作为选择，对于有腿移动机器人设备，驱动单元150由安装在头关节(head joint)、髋关节、以及膝关节上的、用于每个关节的滚动(roll)、俯仰(pitch)、以及侧转(yaw rotation)轴的驱动器单元组成。在图1所示的示例中，机器人设备100具有n个数目的关节自由度。因而，驱动单元150包括n个数目的驱动器单元。每个驱动器单元包括：绕预定轴旋转的马达151；用于检测马达151的旋转位置的编码器152；以及驱动器控制电路153，用于基于编码器152的输出，而自适应地控制马达151的旋转位置和旋转速度。

电源单元160是用于对机器人设备100中的各种电路供电的功能模块。根据此实施例的机器人设备100使用电池自主地操作。电源单元160包括：可再充电电池161；以及充电和放电控制单元162，用于控制可再充电电池161的充电和放电电平。

例如，可再充电电池161包括以盒式格式(cartridge format)封装多个镍-镉电池单元的“电池组”。

另外，充电和放电控制单元162通过测定可再充电电池161的终端电压和充电/放电电流、以及可再充电电池161周围的温度，检测可再充电电池161中剩余的电荷量，以便确定充电的开始时间和结束时间。将由充电和放电控制单元162确定的充电的开始时间和结束时间发送到控制单元120，并触发机器人设备100的充电操作的开始和结束。

控制单元120对应于“脑”。例如，控制单元120被并入机器人设备100的头部或身体部分中。

如上所述，根据本发明的实施例的机器人设备100包括独立驱动的轮移动部分，其具有独立且同时驱动的左轮和右轮。在此设计中，机器人设备100通过以相同的速度旋转左轮和右轮而直线向前移动。机器人设备100通过以不同的速度旋转左轮和右轮而左转或右转。机器人设备100还可通过以彼此相反的方向旋转左轮和右轮而绕其轴旋转。

图2示意性地说明了独立驱动的轮移动部分的结构。下面通过参照图2来描述在机器人设备100左转或右转时的转动半径。

向左轮和右轮赋予不同的旋转速度。由此，可得到在移动方向上的速度v和转动机器人设备100的角速度ω。可从这些速度导出转动半径或曲率半径，如下：

$v=\frac{R_W}{2}({\mathrm{\ω}}_r+{\mathrm{\ω}}_i)$

$\mathrm{\ω}=\frac{R_W}{T}({\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{\ω}}_i)$

其中，左轮和右轮的角速度分别是ω_l和ω_r。左轮和右驱动轮之间的距离是T，并且驱动轮的半径是R_W。

例如，在K.YONEDA等人的“Introduction to robot creative design(对机器人创造性设计的介绍)”，Kodansha，September 20，2001，p.15(日文形式)中详细描述了使用独立驱动轮的操纵机构(steering mechanism)。

如上所述，通过使右轮和左轮以彼此相反的方向旋转，机器人设备100可绕其轴旋转。机器人设备100包括障碍检测传感器114，其由超声波传感器或红外传感器组成，用来检测前方的障碍。当绕其轴旋转时，机器人设备100可激活障碍检测传感器114，以在机器人设备100周围360度中确定障碍的存在。

当然，机器人设备100可包括多个传感器，以便检测在所有方向上的障碍。然而，成本随着传感器的数目的增加而增加。相反，如果机器人设备100通过使用绕其轴的旋转操作来检测障碍，那么对于检测机器人设备100前方的障碍来说，仅有一个传感器就足够了。

控制单元120基于障碍检测传感器114的输出、在当前位置周围360度中确定障碍的存在。然后控制单元120将被确定为不包含障碍的区域确定为机器人设备100可自由来回移动的区域。此后，控制单元120基于以此方式得到的位置信息控制移动操作。

图3A和3B分别说明了其中机器人设备试图通过绕其轴旋转来检测障碍的状态，以及其中机器人设备基于对障碍的检测结果、试图避免与障碍碰撞的状态。在图3B的示例中，机器人设备可绕自由区域自由移动而不需要检测障碍。

图4说明了基于对障碍的检测结果、避免与障碍碰撞的操作的流程图。

首先，机器人设备100通过驱动移动部分(例如，独立驱动轮)绕其轴旋转。机器人设备100在一次旋转期间，基于障碍检测传感器114的输出来检测障碍(步骤S1)。

如果机器人设备100检测到障碍(步骤S2)，则机器人设备100从当前位置稍微移动(步骤S3)。例如，机器人设备100移动几厘米到几十厘米。此后，过程返回到步骤S1，其中机器人设备100在新位置再次检测障碍。

重复进行这些障碍检测操作和移动操作，直到机器人设备100不能检测到障碍为止。随后，机器人设备100将未发现障碍的区域确定为自由区域。然后机器人设备100开始预定的操作(例如，舞蹈)(步骤S4)。在此自由区域中，机器人设备100可在所有方向上自由移动而不使用用于检测障碍的传感器。

在由上述流程图的步骤S1至S3形成的循环中，当机器人设备100绕其轴旋转，并移动到新位置以便检测障碍时，以及当机器人设备100在每个位置上识别障碍时，机器人设备100可记下在每个位置处所检测的障碍，作为地图信息。

本领域的技术人员应当理解，在权利要求或其等价物的范围内，取决于设计需求以及其它因素，可出现各种修改、组合、子组合、以及替换。

Claims (12)

1.一种用于执行预定的移动操作的移动设备，包括：

用于进行移动操作的移动装置；

用于在移动设备绕其轴旋转的同时检测该移动设备附近的障碍的障碍检测装置；以及

控制装置，用于通过将被确定为不包含障碍的区域确定为移动设备能够自由来回移动的自由区域、来控制该移动装置的移动操作，

其中，所述障碍检测装置包括传感器，所述传感器在所述移动设备绕其轴旋转的同时检测该移动设备附近的障碍，并且当所述控制装置控制在所述自由区域中的所述移动装置时，所述传感器不使用。

2.如权利要求1所述的移动设备，其中，移动装置包括独立且同时驱动的左轮和右轮，而且其中，移动装置通过以相同的速度旋转左轮和右轮而直线向前移动，移动装置通过以不同的速度旋转左轮和右轮而左转或右转，而且移动装置通过以彼此相反的方向旋转左轮和右轮而绕其轴旋转。

3.如权利要求1所述的移动设备，还包括：

用来检测前方的障碍的传感器；

其中，障碍检测装置激活传感器，以在通过移动装置的操作而绕其轴旋转的同时确定附近的障碍的存在。

4.如权利要求1所述的移动设备，其中，控制装置使移动装置在基于由障碍检测装置所进行的障碍检测处理而获取的自由区域中，进行预定的移动操作而不激活障碍检测装置。

5.如权利要求3所述的移动设备，其中，障碍检测装置移动到一个位置，以在绕其轴旋转的同时检测附近的障碍，而且其中，控制部分使用地图信息记下在不同位置处检测出的障碍。

6.一种控制用于执行预定的移动操作的包括移动装置的移动设备的方法，包括以下步骤：

在移动设备绕其轴旋转的同时利用传感器检测移动设备的附近的障碍；

以及

通过将被确定为不包含障碍的区域确定为移动设备能够自由来回移动的自由区域，来控制移动装置的移动操作，

其中，当控制在所述自由区域中的所述移动装置时，不使用所述传感器。

7.如权利要求6所述的控制移动设备的方法，其中，移动装置包括独立且同时驱动的左轮和右轮，而且其中，移动装置通过以相同的速度旋转左轮和右轮而直线向前移动，移动装置通过以不同的速度旋转左轮和右轮而左转或右转，并且移动装置通过以彼此相反的方向旋转左轮和右轮而绕其轴旋转。

8.如权利要求6所述的控制移动设备的方法，其中，移动装置还包括用来检测前方的障碍的传感器，而且其中，在检测障碍的步骤中激活传感器，以在通过移动装置的操作而绕移动设备的轴旋转的同时确定该移动设备附近的障碍的存在。

9.如权利要求6所述的控制移动设备的方法，其中，在基于检测障碍的步骤中的障碍检测处理而预先获取的自由区域中，进行移动装置的预定移动操作而不激活检测障碍的步骤中的处理。

10.如权利要求8所述的控制移动设备的方法，其中，在检测障碍的步骤中移动到一个位置，以在绕移动设备的轴旋转的同时检测移动设备附近的障碍，而且其中，在控制移动操作的步骤中，作为地图信息记下在不同位置处所检测出的障碍。

11.一种用于执行预定的移动操作的移动设备，包括：

被配置为进行移动操作的移动部分；

被配置为在移动设备绕其轴旋转的同时检测移动设备附近的障碍的障碍检测部分；以及

控制部分，被配置为通过将被确定为不包含障碍的区域确定为移动设备能够自由来回移动的自由区域，控制移动部分的移动操作，

其中，所述障碍检测部分包括传感器，所述传感器在所述移动设备绕其轴旋转的同时检测该移动设备附近的障碍，并且当所述控制部分控制在所述自由区域中的所述移动部分时，所述传感器不使用。

12.一种用于控制用于执行预定的移动操作的包括移动部分的移动设备的方法，包括以下步骤：

在移动设备绕其轴旋转的同时利用传感器检测移动设备附近的障碍；以及

通过将被确定为不包含障碍的区域确定为移动设备能够自由来回移动的自由区域，控制移动部分的移动操作，

其中，当控制在所述自由区域中的所述移动装置时，不使用所述传感器。

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