CN112004737A - 腿式机器人和腿式机器人的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了腿式机器人和腿式机器人的控制方法。在本申请的一些实例中，移动机器人包括身躯、腿和控制系统。所述移动机器人针对每条腿包括耦合到所述身躯的电机，所述电机包括电机臂和弹簧接合点，所述电机配置为使所述电机臂和所述弹簧接合点旋转。所述移动机器人针对每条腿包括耦合到所述电机的所述弹簧接合点和所述腿的弹簧，其中所述腿包括接纳所述电机臂的轨道，所述腿耦合到所述弹簧，使得所述电机臂处于所述轨道内。所述控制系统例如借助于适当的编程配置为控制所述电机以使所述移动机器人移动。

Description

腿式机器人和腿式机器人的控制方法

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2018年1月8日提交的标题为“腿式机器人和腿式机器人的控制方法”的第62/614,749号美国临时专利申请的权益和优先权，其通过引用并入本文中。

背景技术

本申请涉及腿式机器人和控制腿式机器人的计算机系统。腿式机器人是使用一个或多个机械肢体来进行运动的移动机器人。例如，一些单腿机器人使用跳跃运动进行导航，而双腿机器人可进行两足运动。四腿(四脚)机器人可进行四足运动，相比双腿机器人稳定性更好。例如，腿式机器人可以作为玩具机器人和宠物机器人用于娱乐和陪伴。腿式机器人还可以用于在轮式机器人无法导航的地形环境中完成其它任务。

需要提供一种满足这些需求中的一个或多个或其它有利特征的系统和/或方法。根据本说明书，其它特征和优势将变得显而易见。所公开的教导涵盖落入权利要求书范围内的实施例，不论它们是否实现了前述中的一个或多个需求。

发明内容

一个实施例涉及一种移动机器人。所述移动机器人包括身躯和多条腿。每条腿包括耦合到身躯的电机。所述电机包括电机臂和弹簧接合点。所述电机布置成使电机臂和弹簧接合点旋转。弹簧耦合到电机的弹簧接合点和腿。所述腿包括接纳电机臂的轨道并且耦合到弹簧，使得电机臂位于轨道内。控制系统控制电机以使移动机器人移动。

一方面，每条腿可以包括腔体内的腿弹簧柱，腿弹簧柱在垂直方向上与轨道相对，并从轨道穿过所述腔体，电机的弹簧接合点包括在垂直方向上与电机臂相对的电机弹簧柱；弹簧的第一端可耦合到电机弹簧柱，弹簧的第二端耦合到腿弹簧柱，使得弹簧在垂直方向上从腿延伸到电机；或者，电机臂可以从电机的旋转轴向外延伸，并且从离旋转轴更近的宽端到离旋转轴更远的窄端逐渐变窄，腿的轨道逐渐变窄以匹配电机臂从而接纳所述电机臂；或者，轨道可宽于电机臂从而接纳电机臂，以允许电机臂在轨道内滑动；或者，电机可以通过附加电机耦合到身躯，其中所述电机具有第一旋转轴，所述附加电机具有垂直于第一旋转轴的第二旋转轴，控制系统通过控制电机和附加电机来控制腿的翻滚角和俯仰角；或者，所述腿可以包括上部和下部，所述上部和所述下部通过附加电机耦合在一起，所述附加电机配置为控制下部相对于上部的翻转角；或者，移动机器人可包括四条腿，控制系统可以通过控制四条腿来引起四足运动；或者，移动机器人可进一步包括头部，所述头部通过控制头部运动的多个头部电机耦合到身躯。

另一方面，上述移动机器人可包括具有多个距离传感器的头部，控制系统可以从距离传感器接收传感器数据并使移动机器人基于所述传感器数据移动。移动机器人可进一步包括尾部，所述尾部通过控制尾部运动的多个尾部电机耦合到身躯，所述头部耦合到身躯的前部，所述尾部耦合到与头部相对的身躯的后部。

另一实施例涉及一种移动机器人，包括具有多条腿的身躯，每条腿通过使腿旋转的电机耦合到身躯。每条腿在其远端包括：足部构件；爪部，其耦合到足部构件并具有腔体，所述足部构件耦合到爪部，使得足部构件的尖端被封闭在爪部的腔体内。传感器可设置在爪部的腔体内并且耦合在足部构件的尖端与爪部的内表面之间。控制系统从传感器接收传感器数据，控制电机以使移动机器人基于传感器数据移动。

在实施例中，传感器可包括力传感器，所述力传感器耦合到足部构件的尖端并且配置为通过杠杆臂接触爪部的内表面，所述爪部通过铰链耦合到足部构件并且配置为通过杠杆臂将爪部上的外力传递到传感器。每条腿可在其远端处具有机械缩放仪连杆。

又一实施例涉及一种移动机器人。所述移动机器人包括身躯。前腿可通过前电机耦合到身躯的前部，以使前腿旋转，后腿可通过后电机耦合到身躯的后部，以使后腿旋转。前弹簧可在前电机与后电机之间的身躯上的前弹簧接合点处，耦合在前腿与身躯之间；后弹簧耦合在后腿与身躯上处于后电机后部的后弹簧接合点之间。控制系统控制前电机和后电机以使移动机器人移动。

前腿可包括上部和下部，所述上部和所述下部通过膝部电机耦合在一起，所述膝部电机配置为控制下部相对于上部的俯仰角，前弹簧耦合到前腿的下部。

又一实施例涉及一种移动机器人的组装方法。所述方法包括将后头部件附接到中间头部件的后侧，所述中间头部件包括多个传感器；将前头部件附接到中间头部件的前侧，以形成包括前头部件、中间头部件和后头部件的组装的头部，中间头部件的所述前侧与后侧相对；以及将组装的头部附接到移动机器人的身躯。

又一实施例涉及一种移动机器人，包括身躯、通过使腿旋转的电机分别耦合到身躯的多条腿、多个传感器；以及控制电机以使得移动机器人移动的控制系统。控制系统可以具有第一控制器，其耦合到传感器并且被编程为从传感器接收传感器数据并生成指令命令。第二控制器耦合到第一传感器并且被编程为从第一控制器接收指令命令，使用第二控制器本地存储的或直接从第一控制器接收的运动数据来确定腿的运动模式，并基于所述运动模式生成电机命令。电机驱动器耦合到电机，并且从第二控制器接收电机命令并基于电机命令将电机驱动器信号输出到电机。第一控制器可具有一个或多个处理器和存储处理器的可执行指令的存储器，第二控制器可具有单回路微控制器。电机驱动器包括多通道脉冲宽度调制(multi-channel pulse width modulation，简称PWM)舵机驱动器以生成电机控制信号。存储在第二控制器上的运动数据包括移动机器人的多个步态和多个姿势，每个步态和每个姿势指定腿的目标位置。第二控制器还可以被编程为接收姿势相关的传感器数据，并且响应于检测姿势相关的传感器数据，生成调整电机命令。控制器可以使用字串通信协议进行通信，第一控制器通过发送字符串命令来生成指令命令。每个字符串命令具有标头令牌；按照字串通信协议，第二控制器将每个字符串命令解析为ASCII字符或二进制数。

上述移动机器人可以进一步包括摄像头，其中控制系统控制电机以使得移动机器人移动。控制系统检测摄像头捕捉的第一图像中的第一人脸；确定与注册用户的匹配；响应于第一人脸与注册用户匹配，通过摄像头捕捉的第一图像的第一人脸的图像数据，来更新注册用户的人脸检测分类器，使第一人脸与注册用户融合；并且调整注册用户的熟悉度评分并基于注册用户的熟悉度评分来确定运动指令命令。控制系统还可以检测摄像头捕捉的第二图像中的第二人脸；确定第二人脸不与注册用户中的任一个匹配；确定注册用户的总数不超过注册用户的阈值数；基于第二人脸注册新用户，并通过摄像头捕捉的第二图像的第二人脸的新图像数据，创建新用户的新人脸检测分类器并分配新熟悉度评分给新用户。控制系统还可确定第二人脸不与注册用户中的任一个匹配；并且响应于确定第二人脸不与注册用户匹配以及注册用户的总数超过注册用户的阈值数，分配中性熟悉度评分给第二人脸并基于中性熟悉度评分确定运动指令命令。

在上述移动机器人中，身躯可包括多个导电触摸板，所述多个触摸板整合到身躯并且电耦合到触摸传感器的管脚以控制电机，从而基于触摸传感器的传感器数据使得移动机器人移动。身躯包括脊柱和从脊柱延伸的肋骨，每根肋骨包括与相应的触摸传感器耦合的导电触摸板。

另一方面，每个腿部通过第二电机耦合在一起以控制下部相对于上部的翻转角，并且包括下部的远端处的机械缩放仪连杆和机械缩放仪连杆上的足部。控制系统使得移动机器人移动，并且(例如)通过访问具有足部位置和基于上部、下部和机械缩放仪连杆等尺寸计算的电机控制位置的查找表，将腿的命令足部位置映射到腿的第一和第二电机的电机控制位置。

本说明书中描述的控制系统可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如此，本文中所使用的术语“功能”或“节点”指的是硬件，其还可包括软件和/或固件部件以用于实施所描述的特征。在一些实例中，控制系统可使用其上存储有计算机可执行指令的计算机可读介质来实施，所述计算机可执行指令在由计算机的处理器执行时控制计算机执行步骤。适用于实施控制系统的计算机可读介质的实例包括非瞬时性计算机可读介质，例如磁盘存储器装置、芯片存储器装置、可编程逻辑装置和专用集成电路。另外，控制系统中使用的计算机可读介质可位于单一装置或计算平台上，或者可跨多个装置或计算平台分布。

所公开的实施例的优势在于创新的机制：使用大的爪部区域聚集力量并使其集中在较小的传感器上。

另一优势在于人脸数据随时间改变从而改变熟悉度评分的方式。

又一优势在于将肋骨用作多个按键。

又一优势在于使用非平行缩放仪来微调膝角与踝角之间的映射。

替代的示例性实施例涉及如通常可以在权利要求书中叙述的其它特征和特征组合。

附图说明

根据以下详细描述，结合附图，将更充分地理解本申请，其中相似参考数字是指相似元件，其中：

图1是实例腿式机器人的示意图；

图2是机器人的一个实例版本的示意性透视图；

图3是机器人的简化(精简)版本的示意性透视图；

图4是机器人的传感器配置的示意图；

图5是在腕关节或踝关节处实现非线性被动DoF的缩放仪机构的示意图；

图6是腿与主体之间的弹性连接以增加推力的示意图；

图7是电机臂与大腿之间的柔性连杆的示意图；

图8是机器人的主体块与机器人的肩部之间的柔性连杆的示意图；

图9是颈部、肩部以及主体块之间的柔性连杆的示意图；

图10是爪部与脚趾之间的杠杆结构的示意图；

图11是作为滚珠轴承的可能便宜替代的通孔铆钉的示意图；

图12是头部的结构、传感器配置和夹式机构的示意图；

图13是机器人头部的分解三维图；

图14是几种姿势和其转换的示意图；

图15是机器人的实例电路配置的示意性框图；

图16是机器人的控制层次的示意性流程图；

图17是动态用户绑定过程的流程图；以及

图18是两个控制器之间的实例通信协议的表格。

具体实施方式

在转至详细绘示示例性实施例的附图之前，应理解本申请不限于以下说明中阐述的或附图中绘示的细节或方法。还应理解，本文中所采用的措辞和术语仅用于描述，而不应视为限制。

本说明书描述腿式机器人和腿式机器人的控制方法。所示腿式机器人的实例具有四条腿；然而，腿机构、控制系统和其它结构件可用于具有其他数量的腿的腿式机器人。尽管其它腿式机器人可使用所描述的腿机构、控制系统和其它结构件，所述腿式机器人可被称为动物机器人并且被编程为模仿有腿动物。

图1是实例腿式机器人的示意图。图1示出了动物的关节与机器人的可旋转部分之间的映射。偏航、俯仰、翻滚方向在每个关节上被标记为Y、P、R，以指示其旋转方向。虚线部分在机器人系统的简化(精简)版本是可选的。引线数字100-119用于指出每个自由度(degree of freedom，简称DoF)。

机器人配置为模拟动物的运动，例如，猫或其它四足动物的运动。运动中涉及许多关节。为了绘示机器人的运动，这些关节被投射到各个舵机电机作为DoF。考虑到前后肢结构之间的对称性和相似度，对应身体部分的术语将在后文中交替使用。

图2是机器人的一个实例版本的示意性透视图。示出了图1中所有关节的可能实现方式，形态上类似于猫。

完整版中存在16个主动DoF。其中，对于头部的偏航和俯仰旋转存在两个DoF 100、101，对于大腿的翻滚/俯仰旋转存在8个DoF 104-111，对于小腿的俯仰旋转存在4个DoF112-115，对于尾部或脊柱保留2个DoF 102、103。在精简版本中，可省略头部和尾部100-103、肩部的翻滚104-108和小腿以下的部分116-119，以减小机器人的尺寸、重量和成本。

转子和定子之间的相对位置和接合模式将使得效率和能量损耗不同。在所示的实例中，每个肩部具有两个DoF，以使大腿在翻滚和俯仰方向上移动。大腿附接到肩部舵机转子，以在向前走的周期性运动期间减小摆动质量(转动惯性)，而肩部上的两个电机对于主体块相对静止。膝部具有一个俯仰DoF，它还驱动脚踝上的被动DoF(下一部分论述)。

另外，头部和肩部DoF倾斜某个度数(30度与60度之间)以实现更类似动物的形态。这在机器人处于坐姿时也是有利的。头部将能够在偏航和俯仰方向上旋转。控制头部传感器的旋转以更准确地追踪目标对象。也存在被动关节，其可在某些机械和几何约束下移动。四个被动关节位于腕部和脚踝，三个被动关节位于颈部，两个被动关节位于肩部。下文进一步描述被动关节。

机器人的一些部分可由导电材料制成(例如，导电塑料或橡胶)，直接用作触摸板。设计中减少使用粘性金属板，提供更佳的灵敏度和完整性。不同导电部分由绝缘体很好地分隔。例如，脊柱与肋骨结构设计为柔性盖以隐藏和保护电路和电线。肋骨还设计为触摸板，以感知用户的轻拍，或设计为键盘用于即时输入或控制。

图3是简化的四足机器人平台的可能实施方案的示意性透视图。

图4是机器人的传感器配置的示意图。机器人可具有用于环境感知的多个传感器。例如，机器人可具有以下部分或全部传感器。

两个距离传感器405、406安装在耳朵位置用于检测两个传感器前面的障碍物。一个距离传感器404在下巴下倾斜45度以检测悬崖和较低的障碍物。三个传感器形成三角形以提供头部前面的深度信息。鼻子位置安装夜视摄像头或传统摄像头以用于计算机视觉和视频流。一个陀螺仪/加速度计位于身体400中。多个麦克风412和扬声器403分布于机器人的身体上。

多个触摸传感器安装在机器人上。将触摸处理为空间和时间相关序列，而非独立事件。例如，如果背面上的传感器按顺序触发，这指示用户正在轻拍机器人；如果多个传感器同时触发，这指示用户正在握持机器人。机器人还对不同触摸位置和顺序具有偏好。它将呈现不同表现以鼓励偏好的触摸。在实施例中，触摸板可整合到身躯中。例如，触摸板可以集成到头部件407、409、胸腔221和肢体204-211。

在一些实例中，背面具有“脊柱+肋骨”结构，肋骨可导电并且充当触摸传感器板。在一些其它实例中，整个背面是触摸屏，用以检测更高分辨率的触摸事件并且显示信息。表1示出了示例性触摸传感器关系。

表1

图5是缩放仪机构在腕关节或踝关节处实现非线性被动DoF的示意图。为了让动物机器人实现逼真的运动，可能需要大量的DoF。然而，每个添加的DoF将增加系统的复杂度、成本、重量、功耗和故障的可能性。在所示实例中，通过缩放仪机构实现腕关节和踝关节116-119中的被动DoF。

不同于一些传统缩放仪(可能是完美的菱形缩放仪)，四边形具有特别设计的几何结构，以实现膝角与踝角之间的非线性映射。在腕部和脚踝116-119处的弱扭力弹簧用于提升足部(在摆动相)，在四边形的向后边缘中使用强弹性肌腱300-303来传递驱动力。它还充当膝部电机的缓冲连接。如图5所示，给定膝角的踝角在几何约束下求解，然后使用三角函数进行拟合。这个函数将用于推导出腿关节的角度与其相应爪位置之间的映射。

因为两个独立舵机决定每个足部的位置，所以三角函数用于推导出其在笛卡尔坐标中的位置。计算复杂并且可能要花费很长时间来完成。另一方面，在步行期间，其值周期性地变化。在一些实例中，创建预先计算的查找表来将舵机角(G,A)映射到前足位置F(x,y)。使用类似关系计算后足位置H(x,y)。注意，对于完整版本，A、B、C、D之间的相对位置定义了四边形ABCD的几何约束。ABCD不必是完美的菱形。还创建将角A映射到角C的额外查找表，以定位足部与地面的接触F。对于精简版本，腿只到腕关节，点C直接定位足部与地面的接触。

图6是腿与主体之间的弹性连接以增加推力的示意图。当机器人在行走时，其足部通常经历四个阶段：向后站位、抬起、向前摆动和下落。在站立期间，腿上的力量推动机器人向前移动。在摆动阶段，腿在空中向前移动，并不需要与站立阶段一样多的力量。然而，当前致动器具有大致均匀的功率输出，这意味着在站立阶段最大载货能力受致动器的性能约束。

在图6所示的机器人中，存在连接身体和膝部的拉伸弹簧316、319。在摆动阶段，弹簧拉伸并且存储弹性势能。在站立阶段，弹簧释放能量并且提供额外扭矩502-505，从而产生辅助力506、507来向前推动机器人。

注意，在前部500和后部501中的肢体机构可被视为构造块。尽管当前机器人的前后膝关节被布置为><，但其还可被布置为>>或<<。然后弹簧连杆将采用对应配置。

图7是肢体与舵机电机臂之间的内部柔性连接的侧视图，图7示出了静止的(左边)、在压力下的(中间)以及在扭矩下的(右边)肢体。

腿式机器人上的电机周期性地旋转，腿可能遭遇意料之外的障碍或冲击。如果与电机的连接中不存在缓冲机构，那么电机将容易磨损或破裂。一些传统机械系统中已使用弹性悬挂结构。然而，由于尺寸、重量、成本和复杂度增加，这类结构少见于小型机器人或玩具上。

图7示出了连接腿204和电机臂320的简单弹性机构。如图7所示，腿不直接与电机臂拧紧，而是具有允许电机臂滑动和旋转的轨道。通过阻尼弹簧321稍稍推动电机臂到其基位。当外力小于弹簧的压缩力时，连接将与用螺丝连接的臂相同。当所述力大于可承受的值时，弹簧将压缩，电机臂将能够在腿508的平行方向上滑动或在切线方向509上旋转。注意，由于压缩和扭矩可能同时发生，电机臂还可以同时滑动和旋转。如果所述力更大，那么电机臂将滑动到轨道的开口并跳出。这种弱链接可缓和突然的撞击变成平缓的压力，避免损坏更昂贵的舵机。其结构可通过将弹簧和电机臂重新安装到轨道中来恢复。

所述结构还无需螺钉，相比于传统结构更易于安装、维护和替换。在一些情况下，轨道可由多个部件制成，以方便制造和组装。

图8是机器人的主体块与机器人的肩部之间的柔性连杆的示意图。粗箭头512、513指示在某个力之下的可能的旋转方向。

当机器人正在行走或跳跃时，其质心的晃动将使其运动不稳并对其肩部身躯施加周期性的压力。频繁的压力加载和卸载将最终导致断裂。如图8所示，由肩部104支撑主体块202，它们通过两个阻尼弹簧323连接。当质心正在向下510拖动主体身躯时，主体身躯与肩部身躯之间的接触511变为枢轴以允许相对旋转。弹簧压缩以吸收冲击。弹性连接在运动时稳定机器人，在运动或撞击时保护肩部身躯。

图9是颈部、肩部以及主体块之间的柔性连杆的示意图。粗箭头指示在某个力之下的可能的旋转方向。颈部通过三个阻尼弹簧324、325连接到身体。其中，两个阻尼弹簧324安装在肩部与颈部之间，其限定了柔性俯仰轴并且取代了所述轴上所需的轴承。第三个阻尼弹簧325安装在颈部的底部与腹部之间。有助于减少头部的摇动，在正面撞击时保护头部。

图10是爪部与脚趾之间的杠杆结构的示意图。机器人需要检测足部上的压力，以允许更适合的运动和互动。如图所示，橡胶状爪部219覆盖整个足尖，以聚集施加到足部的任何力514。铰链315允许其旋转较小角度。橡胶状爪部充当地面与足部之间的缓冲层。

爪部还将传感器与外部灰尘或液体隔离，可以容易取下清洗或更换。力传感器326位于足尖，通过长杠杆臂327推动爪部。长杠杆臂充当力传感器的放大器。只要爪部上的外力大于某个阈值，力传感器将被触发并发送信号到处理器进行状态分析或运动调整。使用杠杆臂可改进力传感器的感测范围。

图11是作为滚珠轴承的可能便宜替代的通孔铆钉的示意图；如图9所示，“铆钉328+螺钉329+垫圈330”的结构在机器人的可移动连接中用来替换滚珠轴承。这避免了塑料件之间的直接接触以减少磨损，还减少了沿旋转轴的旋转和滑动摩擦。

图12是头部的结构、传感器配置和夹式机构的示意图。头部200是安装传感器的主要位置。它对用户交互也至关重要。为了使传感器易于安装，头部设计有“夹层”结构，其中大多数传感器安装在头部的中间层408上，脸部407和后头部409仅仅是盖子，易于移除。为了将螺钉331-334隐藏于机器人的表面下，螺钉如图13中所示分布，并且应依照数字顺序安装。螺钉331、333被预先安装，可滑动到中间层上的半开固定器中。螺钉332、334随后被拧紧以固定脸部和后头部。

在中间层408的两侧上也存在两个凹痕。颈部上的夹紧器结构201可以通过凹痕托住头部并且将头部连接到颈部。这种夹式设计让维护变得更容易，有助于在正面撞击时保护机器人。

图13示出了依照图12中的设计的机器人头部的分解三维视图。机器人头部具有中间头部件408，前头部件407和后头部件409被附接到中间头部件的前侧和后侧。摄像头401、眼灯/显示器402、扬声器403和距离传感器404-406安装在中间部件上。由距离传感器404-406测量距离516和517。通过导电材料将脸部407和后头部409制成触摸板，并通过中间部件408隔开。颈部上的夹紧器结构201在方向518上附接到中间部件408。

图14是几种姿势和其转换的示意图。机器人的身体姿势直接定义并且由舵机角控制。姿势之间平滑转换进行连续运动以执行某些任务。舵机角存储于整数阵列中，其中每个角范围从-128度到127度，尽管有效角在某些舵机上是在-80与80之间。角阵列的时间序列定义了机器人如何随时间移动。保持另一列表以定义将在转换期间活动的索引舵机。

通常，存在两种类型的转换。一种是角驱动转换。给定舵机的最初状态和最终状态，基于预期时间步长和持续时间计算逐渐改变的角间隔。这种转换很方便，因为每种状态可通过每个关节的角度而直接限定，并且胁迫状态可实时线性插入，而不存储在存储器中。然而，因为爪部的运动源于多个舵机，其组合的线性角运动将不会导致爪部的线性轨迹。因此，这种转换通常适用于中间轨迹不会在路径中遭遇任何障碍的情形。

需要另一种更好的转换以更好地控制运动，例如行走。爪部轨迹的角度源自某些几何和时间约束。然后，对于爪部的给定笛卡尔坐标，舵机角使用逆运动学来求解。将角度保存到存储器以用于创建查找表。所述表稍后用于将笛卡尔坐标中的某个爪部轨迹映射到角阵列的时间序列。

图14A-B示出了拎住颈部的行为。如果被拎住了颈部，小动物将停止运动以使父母将其随身携带。所示机器人模拟相同情况下的这种行为。如果传感器检测到拎住后颈事件，机器人将降下所有的腿并且关闭所有电机，以使人们可以将其四处移动。被提住臀部或尾部时，机器人也发生类似行为。

图14C-E示出站立行为。电机不通电的情况下，机器人具有三种稳定姿势。第一种稳定姿势是在身体放平且由腿恰当支撑时；第二种稳定姿势是在身体相对于坐姿倾斜大约45度时；第三种稳定姿势是在身体几乎垂直并且仅由其臀部和后腿支撑时。第三种需要某种顺序的运动以冲破重力势垒。开始时机器人是坐姿。前腿推地后腿伸开，它将能够倾斜约75度。同时，后腿先伸出，然后弯曲推地。然后，机器人将垂直地由其臀部和两个脚踝支撑。两个前腿将不再支撑，以进行更多的运动和人机交互。

机器人在这些稳定姿势时关闭舵机，以节省电能并且降低噪音和舵机的磨损，除非外部刺激触发其他运动或调整。

图14F-I示出“乌龟翻身”翻转恢复顺序。如果如519中所示般翻转，机器人应该能够翻滚回原位。这其实是腿式机器人相较于轮式车辆的一个优势。一些腿式机器人能够通过使其肩部旋转超过90度，或者用长臂将从其背面推动，从而翻滚回原位。为了实现更自然的运动模式，所示机器人采取颈部和头部运动的“乌龟式”翻滚回原位。一旦偶然翻转，机器人抬起头部200使背部靠向一侧。头部的背面将支撑主体，主体202的翻滚角大约30度。然后在偏航方向上快速转动颈部的夹紧器结构201，并用脸部支撑主体。接地侧上的腿将伸出，并将翻滚角增加到75度。最后，机器人将点头以恢复正常。

图15是机器人的实例电路配置的示意性框图。完整版的机器人运动受控于三个级别的控制器，其仿生地模拟动物的运动。第一级控制器600(大脑)是人工智能(artificialintelligence，简称AI)或人类控制的信号发生器。它分析复杂的传感器数据、感知机器人的处境并且发送抽象指令命令到中级控制器601。根据不同场景，AI和人类指令将对机器人的最终决定做出不同影响。

第二级控制器601(小脑)是单回路微控制器。其从第一级控制器600读取指令并且生成恰当的运动模式。本能的行为(例如，基本步态和姿势)本地存储于微控制器上。微控制器还读取姿势相关的传感器数据，即时调整外部干扰，例如，平衡和翻倒恢复。电子设备412-416主要附接到或甚至嵌在微控制器的电路板中。第二级控制器还可以直接从第一级控制器接收运动数据来确定运动模式。

第三级602(脊髓)是多通道PWM舵机驱动器。其从第二级控制器601接收用于每个PWM通道的指令并且生成实际PWM信号，以将致动器移动到目标位置。其还可嵌在第二级控制器中。

当机器人行走时，其四条腿顺序移动，从而爪部与地面不连续接触。其质心将由变化的几何结构支撑。保持对称的主体结构，使质心沿脊柱方向移动会很有用。在小型行走机器人上，舵机415的连接器占据机器人大部分的体重，并且应沿脊柱轴对称地分布、成对地布置，如同动物脊髓中的神经那样。它对于舵机的安装和更换也更直观方便。

如图3所示的精简版是“无脑”版。其可仅具有最低的两个控制级601-602，但其与更高级的控制器600的通信端口仍对用户开放。

图16是机器人的控制层次的示意性流程图。层次结构可通过图15所示的电路结构实施。

图17是动态用户绑定过程的流程图。在一些传统系统中，人脸检测和识别需要复杂的设置来使机器人记住用户，并且记忆是静态的。所示的用户绑定流程图定义了机器人应如何对不同人作出反应，以模拟真实的宠物与其主人之间的关系建立过程。

如图17所示，流程描述如下：

在出厂默认值608下，存在几个空余用户槽(例如，对于小家庭而言3个)。额外的用户槽可稍后添加。一旦开启机器人，它将在每帧中周期性地拍摄周围环境的照片并且检测人脸609。对于所检测到的每张人脸，机器人将利用额外面部特征向前视图注册610。新检测到的人脸将添加到可用的空余槽611。创建每张人脸的分类器613。一旦所有槽都被占用，在动态模式(猫模式)下，任何稍后检测到的人脸将融合进最近似的人脸槽612中。随着时间流逝，机器人对于最常见的用户将具有最精确的分类器，并且将该用户视为主人。然而，如果机器人由其他人使用并且不再看到其主人，它将逐渐模糊对旧主人的印象。在忠诚模式(狗模式)下，任何稍后检测到的人脸将不影响现有分类器，机器人总是记得第一任主人。

每个保存的用户将具有演变的基础好感度或熟悉度评分614。在机器人检测到用户的人脸之后的较短时窗内，由人机交互来进行动态修改。未保存的用户/陌生人将具有默认评分。每个单个机器人对于采用猫模式还是狗模式具有不同倾向，而其对陌生人的默认态度也可改变。

图18是两个控制器之间的实例通信协议的表格。例如，第一控制器表示大脑，第二控制器表示小脑。大脑与小脑之间的通信被简化为短字符串命令。字符串具有1字节标头令牌，以指示解析方法。以下字节可根据标头令牌被解析为ASCII字符或二进制数。在接受人工输入的接口实例中，出于可读性目的，字符串最好编码为ASCII字符。在接受另一计算机的详细指令的接口实例中，字符串出于效率目的优选地编码为二进制字符。这种通信协议允许大脑与小脑之间的高级抽象指令和低级控制序列。

尽管图中所示及本文所描述的示例性实施例目前是优选的，应理解这些实施例仅通过实例提供。因此，本申请不限于特定实施例，但涵盖各种属于所附权利要求书的范围的修改。任何过程或方法步骤的次序或顺序都可能根据替换实施例改变或重新排序。

本申请预期机器可读介质上用于实现其操作的方法、系统和程序产品。可使用现有计算机处理器，或通过用于适当系统的专用计算机处理器(出于这种或其它种目的并入)或通过硬连线系统来实施本申请的实施例。

需要注意的是，如各种示例性实施例中所示的腿式机器人和控制方法的构造和布置仅是说明性的。尽管本发明中仅详细描述了几个实施例，但审阅本发明的本领域技术人员将容易了解，可以在实质上不偏离权利要求书中所述主题的新颖教导和优势的情况下进行许多修改(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料使用、颜色、方位等的改变)。例如，示出为整体形成的元件可由多个部分或元件构成，元件的位置可颠倒或以其他方式改变，并且离散元件或位置的性质或数目可改变或变更。因此，所有此类修改意在涵盖在本申请的范围内。任何过程或方法步骤的次序或顺序都可能根据替换实施例改变或重新排序。在权利要求书中，任何手段+功能条款都意在涵盖本文描述为执行所述功能的结构、以及结构等效物和等效结构。可在不脱离本申请的范围的情况下对示例性实施例的设计、操作条件以及布置进行其他替换、修改、改变和省略。

如上所述，在本申请的范围内的实施例包括程序产品，其包括机器可读介质以用于承载或使机器可执行指令或数据结构存储于其上。这类机器可读介质可以是任何可用介质，可由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器来访问。作为实例，此机器可读介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁性存储装置，或可用于承载或存储机器可执行指令或数据结构形式的所需程序代码并可通过通用或专用计算机或具有处理器的其它机器来访问的任何其它介质。当信息通过网络或另一通信连接(硬连线、无线或硬连线或无线的组合)传递或提供到机器时，机器适当地将连接视为机器可读介质。因此，任何这类连接被适当地称为计算机可读介质。以上各者的组合也包括在计算机可读介质的范围内。机器可执行指令包括(例如)使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行某种功能或某组功能的指令和数据。

应注意，尽管本文的附图可示出方法步骤的特定顺序，但应理解，这些步骤的顺序可以与所描绘的不同。同样，可同时或部分同时执行两个或更多步骤。这类变化将取决于所选软件和硬件系统及取决于设计者选择。应理解，所有此类变化都在本申请的范围内。同样，软件实施可使用标准编程技术以基于规则的逻辑和其它逻辑来实现，从而实现各种连接步骤、处理步骤、对比步骤和决定步骤。

Claims (15)

1.一种移动机器人，包括：

身躯；

多条腿，并且对于每条腿，包括：

电机，其耦合到所述身躯，所述电机包括电机臂和弹簧接合点，所述电机配置为使所述电机臂和所述弹簧接合点旋转；以及

弹簧，其耦合到所述电机的所述弹簧接合点和所述腿，其中所述腿包括接纳所述电机臂的轨道，所述腿耦合到所述弹簧，使得所述电机臂处于所述轨道内；以及

控制系统，其配置为控制所述电机以使所述移动机器人移动。

2.根据权利要求1所述的移动机器人，其中，对于每条腿：

所述腿包括腔体内的腿弹簧柱，所述腿弹簧柱在垂直方向上与所述轨道相对，并从所述轨道穿过所述腔体；所述电机的所述弹簧接合点包括在所述垂直方向上与所述电机臂相对的电机弹簧柱；所述弹簧的第一端耦合到所述电机弹簧柱，所述弹簧的第二端耦合到所述腿弹簧柱，使得所述弹簧在所述垂直方向上从所述腿延伸到所述电机；或者

对于每条腿，所述电机臂从所述电机的旋转轴向外延伸，从离所述旋转轴更近的宽端到离所述旋转轴更远的窄端逐渐变窄，所述腿的所述轨道逐渐变窄以匹配所述电机臂从而接纳所述电机臂；或者

对于每条腿，所述轨道宽于所述电机臂从而接纳所述电机臂，以允许所述电机臂在所述轨道内滑动；或者

对于每条腿，所述电机通过附加电机耦合到所述身躯，其中所述电机具有第一旋转轴，所述附加电机具有垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴，所述控制系统配置为通过控制所述电机和所述附加电机来控制所述腿的翻滚角和俯仰角；或者

对于每条腿，所述腿包括上部和下部，所述上部和所述下部通过附加电机耦合在一起，所述附加电机配置为控制所述下部相对于所述上部的翻转角；或者

所述移动机器人包括四条腿，所述控制系统配置为通过控制所述四条腿来引起四足运动；或者

还包括头部，所述头部通过控制所述头部运动的多个头部电机耦合到所述身躯。

3.根据权利要求1所述的移动机器人，其中所述头部包括多个距离传感器，所述控制系统配置为从所述距离传感器接收传感器数据，并使所述移动机器人基于所述传感器数据移动；或者

还包括尾部，所述尾部通过控制所述尾部运动的多个尾部电机耦合到所述身躯，其中所述头部耦合到所述身躯的前部，所述尾部耦合到与所述头部相对的所述身躯的后部。

4.一种移动机器人，包括：

身躯；

多条腿，其各自通过使所述腿旋转的电机耦合到所述身躯，其中每条腿在其远端处包括：

足部构件；

爪部，其耦合到所述足部构件，其中所述爪部包括腔体，所述足部构件耦合到所述爪部，使得所述足部构件的尖端被封闭在所述爪部的所述腔体内；以及

传感器，其位于所述爪部的所述腔体内并且耦合在所述足部构件的所述尖端与所述爪部的内表面之间；以及

控制系统，其配置为从传感器接收传感器数据，并且控制所述电机以使所述移动机器人基于所述传感器数据移动。

5.根据权利要求4所述的移动机器人，其中，对于每条腿，所述传感器包括力传感器，所述力传感器耦合到所述足部构件的所述尖端并且配置为通过杠杆臂接触所述爪部的所述内表面；或者

对于每条腿，所述爪部通过铰链耦合到所述足部构件并且配置为通过所述杠杆臂将所述爪部上的外力传递到所述传感器；或者

每条腿在其远端处具有机械缩放仪连杆。

6.一种移动机器人，包括：

身躯，其包括前部和后部；

前腿，其通过使所述前腿旋转的前电机耦合到所述身躯的所述前部；

后腿，其通过使所述后腿旋转的后电机耦合到所述身躯的所述后部；

前弹簧，其在所述前电机与所述后电机之间的所述身躯上的前弹簧接合点处，耦合在所述前腿与所述身躯之间；

后弹簧，其耦合在所述后腿与所述身躯上处于所述后电机后部的后弹簧接合点之间；以及

控制系统，其配置为控制所述前电机和所述后电机以使所述移动机器人移动。

7.根据权利要求6所述的移动机器人，其中所述前腿包括上部和下部，所述上部和所述下部通过膝部电机耦合在一起，所述膝部电机配置为控制所述下部相对于所述上部的俯仰角，所述前弹簧耦合到所述前腿的所述下部；或者

所述后腿包括上部和下部，所述上部和所述下部通过膝部电机耦合在一起，所述膝部电机配置为控制所述下部相对于所述上部的俯仰角，所述后弹簧耦合到所述后腿的所述下部；或者

所述身躯包括左侧和右侧，所述移动机器人在所述左侧和所述右侧均包括两条腿，所述控制系统配置为通过控制所述四条腿来引起四足运动。

8.一种移动机器人的组装方法，所述方法包括：

将后头部件附接到中间头部件的后侧，所述中间头部件包括多个传感器；

将前头部件附接到所述中间头部件的前侧，以形成包括所述前头部件、所述中间头部件和所述后头部件的组装的头部，所述中间头部件的所述前侧与所述后侧相对；以及

将所述组装的头部附接到所述移动机器人的身躯。

9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述后头部件附接到所述中间头部件包括：将所述后头部件的预安装螺钉滑动到所述中间头部件的所述后侧上的螺钉座中，并紧固两个其它螺钉，从而与所述预安装螺钉形成三角形；或者

将所述前头部件附接到所述中间头部件，具体包括：将所述前头部件的预安装螺钉滑动到所述中间头部件的所述前侧上的螺钉座中，并紧固两个其它螺钉，从而与所述预安装螺钉形成三角形；或者

将所述组装的头部附接到所述移动机器人的所述身躯，具体包括：通过将夹紧器结构的至少两个夹紧器柱滑动到所述中间头部件中的对应夹紧器轨道中，以将所述中间头部件夹到所述身躯上的所述夹紧器结构；或者

所述移动机器人包括耦合到所述身躯的四条腿和配置为通过控制所述四条腿来引起四足运动的控制系统，所述前头部件包括前圆形表面，所述前圆形表面远离所述中间头部件的所述前侧而成圆形，所述后头部件包括后圆形表面，所述后圆形表面远离所述中间头部件的所述后侧而成圆形；或者

所述前头部件和所述后头部件由导电材料形成，附接所述后头部件和所述前头部件包括：将所述前头部件和所述后头部件电连接到触摸传感器。

10.一种移动机器人，包括：

身躯；

多条腿，其各自通过使所述腿旋转的电机耦合到所述身躯；

多个传感器；以及

控制系统，其配置为控制所述电机以使所述移动机器人移动，所述控制系统包括：

第一控制器，其耦合到所述传感器并且被编程为从所述传感器接收传感器数据并生成指令命令；

第二控制器，其耦合到所述第一传感器并且被编程为从所述第一控制器接收所述指令命令，使用所述第二控制器本地存储的运动数据来确定所述腿的一个或多个运动模式，并基于所述运动模式生成多个电机命令；以及

电机驱动器，其耦合到所述电机，并配置为从所述第二控制器接收所述电机命令并基于所述电机命令将电机驱动器信号输出到所述电机。

11.根据权利要求10所述的移动机器人，其中所述第一控制器包括至少一个处理器和存储所述处理器的可执行指令的存储器，所述第二控制器包括单回路微控制器；所述电机驱动器包括配置为生成多通道脉冲宽度调制PWM信号以控制所述电机的PWM舵机驱动器；或者

所述第二控制器本地存储的所述运动数据包括所述移动机器人的多个步态和多个姿势，每个步态和每个姿势指定所述腿的目标位置；或者

所述第二控制器被编程为接收姿势相关的传感器数据，并且响应于基于所述姿势相关的传感器数据检测到一个或多个外部干扰，生成调整电机命令；或者

所述第二控制器被编程为接收一个或多个外部运动命令并基于所述外部运动命令生成一个或多个附加电机命令；或者

所述第二控制器被编程为接收一个或多个外部运动命令和传感器数据，并响应于基于所述传感器数据确定执行所述外部运动命令将导致所述移动机器人接触障碍物或至少部分落下悬崖，无视所述外部运动命令；或者

所述第一控制器和所述第二控制器被编程为使用字符串通信协议进行通信，所述第一控制器被编程通过发送一个或多个字符串命令来生成所述指令命令，每个字符串命令包括标头令牌，所述第二控制器被编程为：按照字串通信协议，基于所述字符串命令的所述标头令牌将每个字符串命令解析为ASCII字符或二进制数。

12.根据权利要求1、4、6或10所述的移动机器人，进一步包括：摄像头；

所述控制系统配置为控制所述电机以使所述移动机器人移动，所述控制系统配置用于：

检测所述摄像头捕捉的第一图像中的第一人脸；

确定所述第一人脸与多个注册用户中的注册用户匹配；

响应于确定所述第一人脸与所述注册用户匹配，通过所述摄像头捕捉的所述第一图像的所述第一人脸的图像数据，更新所述注册用户的人脸检测分类器，以使所述第一人脸与所述注册用户融合；以及

响应于确定所述第一人脸与所述注册用户匹配，调整所述注册用户的熟悉度评分并基于所述注册用户的所述熟悉度评分，来确定一个或多个运动指令命令；或者

所述控制系统配置用于：

检测所述摄像头捕捉的第二图像中的第二人脸；

确定所述第二人脸不与所述注册用户中的任一个匹配；

确定注册用户的总数不超过注册用户的阈值数；以及

响应于确定所述第二人脸不与所述注册用户中的任一个匹配并且注册用户的所述总数不超过注册用户的所述阈值数，基于所述第二人脸注册新用户，并使用所述摄像头捕捉的所述第二图像的所述第二人脸的新图像数据，创建所述新用户的新人脸检测分类器并分配新熟悉度评分给所述新用户；或者

所述控制系统配置用于：

检测所述摄像头捕捉的第二图像中的第二人脸；

确定所述第二人脸不与所述注册用户中的任一个匹配；

确定注册用户的总数超过注册用户的阈值数；以及

响应于确定所述第二人脸不与所述注册用户中的任一个匹配并且注册用户的所述总数超过注册用户的所述阈值数，分配中性熟悉度评分给所述第二人脸并基于所述中性熟悉度评分确定一个或多个新运动指令命令；或者

所述控制系统配置用于：

接收命令进入忠诚模式；

检测所述摄像头捕捉的第二图像中的第二人脸；

确定所述第二人脸不与所述注册用户中的任一个匹配；以及

响应于确定所述第二人脸不与所述注册用户中的任一个匹配以及接收所述命令进入所述忠诚模式，分配中性熟悉度评分给所述第二人脸并基于所述中性熟悉度评分确定一个或多个新运动指令命令。

13.根据权利要求1、4、6或10所述的移动机器人，其中所述身躯包括整合到所述身躯的多个导电触摸板，每个导电触摸板电耦合到触摸传感器的管脚；并且

所述控制系统配置为控制所述电机以使所述移动机器人基于所述触摸传感器的传感器数据移动。

14.根据权利要求13所述的移动机器人，其中所述导电触摸板由导电材料形成，所述触摸传感器是电容式触摸传感器；或者

所述身躯包括电耦合到所述控制系统的至少一个触摸屏；或者

所述身躯包括脊柱和从所述脊柱延伸的多个肋骨，每根所述肋骨包括与相应的触摸传感器耦合的一个所述导电触摸板；或者

所述控制系统配置用于：

随时间监测所述传感器数据；

确定来自所述传感器数据的所检测触摸的顺序在空间上和时间中与多个触摸传感器事件的第一触摸传感器事件匹配；以及

响应于确定所检测触摸的所述顺序与所述第一触摸传感器事件匹配，基于所述第一触摸传感器事件确定一个或多个运动指令命令。

15.根据权利要求1所述的移动机器人，其中每条腿包括上部和下部，所述上部和所述下部通过第二电机耦合在一起，所述第二电机配置为控制所述下部相对于所述上部的翻转角，每条腿包括所述下部的远端处的机械缩放仪连杆和所述机械缩放仪连杆上的足部；所述控制系统配置为控制所述电机以使所述移动机器人移动，所述控制系统配置为针对每条腿将所述腿的命令足部位置映射到所述腿的所述第一电机和所述第二电机的电机控制位置；或者

将所述命令足部位置映射到电机控制位置包括：访问包括多个足部位置和针对每个足部位置的电机控制位置的预计算查找表，所述电机控制位置基于所述上部、所述下部和所述机械缩放仪连杆等多个尺寸计算；或者

将所述命令足部位置映射到电机控制位置包括：访问将所述上部与所述下部之间的角度与所述下部与所述机械缩放仪连杆之间的角度相关联的预计算角度表；或者

将所述命令足部位置映射到电机控制位置包括：确定所述足部的足部-地面接触位置；或者

所述移动机器人包括四条腿，所述控制系统配置为通过控制所述四条腿来引起四足运动。

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