CN1697724A - 机器人设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

应用于例如腿式移动机器人的一种机器人系统。基于运动学原理计算机器人从其已经着地的位置到其将要着地位置之间的移动量，并根据着地位置的转换，将坐标系转化变换至观察参照的坐标系。

Description

机器人设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人设备及控制该机器人设备的方法，并可应用于，如腿式移动机器人。本发明能够通过以下方式精确表达观察目标：通过运用运动学计算机器人设备到目前已经与地面相接触的部分和机器人设备与地面相接触的下一个部分之间的移动量，并通过切换变换(transformation)至用作观察参照的坐标系作为地面接触部件之间转换的结果。另外，本发明通过对单独检测的参照坐标系的移动量施加上述操作，能够精确地表达观察目标。

背景技术

迄今，已经研究了通过感知障碍自动移动的步行智能机器人，如申请号为No.2000-317868的日本未审专利申请中所公开的。在这样的机器人中，如附图1所示，参照传感器安装位置P1所检测到的障碍物等，可通过用作机器人处理参照的机器人中心坐标系(其原点由附图2中的P2示出)进行处理。因此，在这种类型的机器人中，运用机器人中心坐标系至传感器之间的机器人取向的改变，表达观察结果。

在这样的机器人中，当因为机器人按照箭头a所指取向行进使得机器人中心坐标系的原点P2移动时，根据移动量修正基于机器人中心坐标系的观察结果的坐标，并且根据每个移动要求行进的机器人步幅确定所述移动量。

如附图2所示，也研究了使用两条腿走路的机器人。同样在这样的机器人中，由传感器所检测到的观察目标可由其原点为P2的机器人中心坐标系所表示。

通过向对应的模块分别发出命令来执行上述机器人的行走。比较而言，机器人的实际移动是连续执行的。因此，按照机器人中心坐标系所表示的观察结果包括步幅所引起的误差。另外，在命令发出时间和实际移动时间之间还存在一定差值。因此，所述机器人不能精确表达传感器所检测的观察结果。

上述误差在例如以新的观察为基础选择移动的机器人中不是一个显著的问题，其中如在分类结构(subsumption architecture)中，观测结果与所述移动相关联。可是，当将各个时刻所获取的观测结果合并进行处理时，例如机器人可能不能避开障碍物。因此，在这种情况中，误差就成为一个严重的问题。特别地，根据附图3(A)至3(C)中机器人的摆动行走所引起的取向改变所示，当机器人在从右腿抬起时刻至其着地的时刻之间所进行的一步中，以60度的角度摆动时，摆动期间的观察结果(由时刻t2所指示的观察结果)变得不确定。当合并观察结果对其进行处理时，这成为一个严重的问题。附图3示出了通过广域坐标系(由W示出)标示的合并观察结果的结果。在移动开始时刻t1和移动完成时刻t3的观察结果能够由旋转角被确定为相同目标的结果，而这些时刻之间的观察结果不能容易地被确定为相同目标的结果。

发明内容

本发明是鉴于前述观点实现的，并且提供能够比现有机器人更精确表达观察目标的机器人设备，以及控制机器人设备的方法。

为了克服上述问题，本发明应用于一种机器人设备，该机器人设备包括主体，多个与主体相连的可移动部分，设置在主体中的参照坐标系，设置在一第一地面接触位置处的第一局部坐标系，在所述位置处所述可移动部分中的一个与地面相接触，用于在第一局部坐标系的基础上计算该参照坐标系的移动量的第一移动量计算装置，设置在第二地面接触位置处的第二局部坐标系，在所述位置处所述可移动部分中的另一个与地面相接触，用于在第二局部坐标系的基础上计算该参照坐标系的移动量的第二移动量计算装置，以及用于计算第一局部坐标系和第二局部坐标系之间距离的计算装置。在基于第一局部坐标系的参照坐标系的移动量、基于第二局部坐标系的参照坐标系的移动量、以及所述局部坐标系之间的距离的基础上计算所述参照坐标系的移动量。在此，术语“主体”表示设置有参照坐标系的机器人躯体的一部分。通常地，这对应于如机器人主要部分的腰部。可是，如果参照坐标系被设置在头部，则术语“主体”表示头部。术语“主体”的使用不限于躯体的这些部分。

根据本发明的这种结构，机器人设备包括主体，多个与主体相连的可移动部分，设置在主体中的参照坐标系，设置在第一地面接触位置处的第一局部坐标系，在所述位置处所述可移动部分中的一个与地面相接触，用于在第一局部坐标系的基础上计算该参照坐标系的移动量的第一移动量计算装置，设置在第二地面接触位置处的第二局部坐标系，在所述位置处所述可移动部分中的另一个与地面相接触，用于在第二局部坐标系的基础上计算该参照坐标系的移动量的第二移动量计算装置，以及用于计算第一局部坐标系和第二局部坐标系之间距离的计算装置。在基于第一局部坐标系的参照坐标系的移动量、基于第二局部坐标系的参照坐标系的移动量、以及所述局部坐标系之间的距离的基础上计算所述参照坐标系的移动量。因此，能够根据地面接触位置计算参照坐标的移动量并同时使用运动学原理连续计算第一或第二地面接触位置的移动量。这时，即使由于单独外部输入命令引起取向(orientation)改变，例如机器人根据一个这样的命令进行相当大的摆动，进而能够比现有机器人(related robot)更精确地表现与参照坐标相关的目标。这样，通过精确表现传感器所检测到的观察结果，能够比现有机器人更精确地表达观察目标。

本发明应用于机器人设备，其中由于取向改变在着地位置之间发生动态改变。所述机器人设备包括用于通过外部观察传感器观察外部环境，并输出对应外部观察传感器的传感器坐标系所产生的观察结果的观察装置，用于检测关节角度的取向检测传感器，所述关节角度涉及至少在外部观察传感器与着地位置之间设置的关节的取向改变，用于检测着地位置之间变换的着地检测装置，以及用于将从观察装置中获取的观察结果的坐标转换为预定参照坐标系坐标的坐标转换装置。所述观察装置连续输出由取向改变引起改变的观察结果坐标和时间信息。所述坐标转换装置由取向检测传感器根据观察结果的时间信息获得的检测结果中相对随着取向改变而改变的着地位置来检测移动量，所述着地位置变化取向改变所引起，并且所述装置根据按照所述移动量进行的修正，将观察结果的坐标转换成参照坐标系的坐标，以便变换移动量检测的着地位置，其是着地检测装置所获得的着地位置之间变换的检测结果。

根据本发明的构造，其中在由于取向改变引起的着地位置之间发生动态变化的机器人设备，包括用于通过外部观察传感器观察外部环境，并输出对应外部观察传感器的传感器坐标系的观察结果的观察装置，用于检测关节角度的取向检测传感器，所述关节角度涉及至少在外部观察传感器到着地位置设置的关节中的取向改变，用于检测着地位置之间变换的着地检测装置，以及用于将从观察装置中获取的观察结果的坐标转换为预定参照坐标系坐标的坐标转换装置。所述观察装置连续输出由取向改变而改变的带有时间信息的观察结果的坐标。所述坐标转换装置由取向检测传感器参照观察结果的时间信息获得的检测结果中检测对应于外部观察传感器并相对于由取向变化而变化的着地位置的移动量，并且所述装置通过按照所述移动量进行的修正，将观察结果的坐标转换成参照坐标系的坐标，以便变换移动量检测的着地位置，其是着地检测装置所获得的着地位置之间变换的检测结果。因此，观察结果的坐标由计算的移动量所修正并被转换成参照坐标，同时连续计算到目前已经与地面接触的机器人设备的一个部件，和机器人运用运动学与地面相接触的下一个部件之间的移动量。这样，即使由于单独外部输入命令引起取向改变，以及如机器人根据一个这样的命令进行相当大的摆动，也能够比现有机器人更精确地表现与参照坐标相关的目标。通过按照与观察结果相关的时间信息执行这些操作，即使在命令发出时间和实际移动时间之间存在一定的差异，也能够精确地表现传感器检测到的观察结果。因此，能够比现有机器人更精确地表达观察目标。

本发明应用于机器人设备，其包括躯干，多个与躯干相连的可移动的腿，设置在躯干中的参照坐标系，设置在一个可移动腿接触地面的第一地面接触位置处的第一局部坐标系，用于在第一局部坐标系基础上计算该参照坐标系的移动量的第一移动量计算装置，设置在另一可移动腿接触地面的第二地面接触位置处的第二局部坐标系，用于在第二局部坐标系基础上计算该参照坐标系的移动量的第二移动量计算装置，以及用于计算第一局部坐标系和第二局部坐标系之间距离的计算装置。在基于第一局部坐标系的参照坐标系的移动量、基于第二局部坐标系的参照坐标系的移动量、以及由于接触地面的可移动腿之间变换所引起的局部坐标系之间距离的基础上连续计算所述参照坐标系的移动量。

根据本发明这种结构的优点，能够提供具有多个可移动腿并能够比现有机器人设备更精确表达观察目标的机器人设备。

本发明应用于控制机器人设备的方法，所述机器人设备包括主体和多个与主体相连的可移动部分。所述方法包括用于以设置在第一地面接触位置处的第一局部坐标系为基础计算设置在主体中参照坐标系的移动量的第一移动量计算步骤，其中在所述第一地面接触位置处所述可移动部分中的一个接触地面，用于以设置在第二地面接触位置处的第二局部坐标系为基础计算该参照坐标系移动量的第二移动量计算步骤，其中在所述第二地面接触位置处所述可移动部分中的另一个接触地面，以及用于计算第一局部坐标系和第二局部坐标系之间距离的距离计算步骤。在基于第一局部坐标系的参照坐标系的移动量、基于第二局部坐标系的参照坐标系的移动量、以及所述坐标系之间距离的基础上计算所述参照坐标系的移动量。

根据本发明该结构的优点，能够提供一种用于控制具有多个可移动腿并能比现有机器人设备更精确地表达观察目标的机器人的方法。

本发明应用于控制机器人的方法，在所述机器人中，由于取向改变而引起在着地位置之间发生动态变化。所述方法包括用于通过外部观察传感器观察外部环境并通过对应外部观察传感器的传感器坐标系输出观察结果的观察步骤，用于检测着地位置之间变换的着地检测步骤，以及用于将通过观察步骤获得的观察结果的坐标转化为预定参照坐标系坐标的坐标转化步骤。所述观察步骤包括连续输出由取向改变所引起的变化的观察结果的坐标和时间信息。所述坐标变化步骤包括取向检测传感器根据观察结果的时间信息而获得的检测结果中检测取向变化所引起着地位置变化之间的移动量，以及根据移动量进行的修正将观察结果的坐标转化成参照坐标系的坐标，以便变换用于移动量检测的着地位置，所述移动量为着地步骤中着地位置之间变换的检测结果，取向检测传感器检测至少包含于设置在外部观察传感器至着地位置之间关节中取向变化的关节角度。

根据本发明该结构的优点，能够提供一种用于控制能够比现有机器人设备更精确表达观察目标的机器人设备的方法。

本发明应用于一种控制机器人设备的方法，所述机器人设备包括躯体和与所述躯体相连的多个移动腿。所述方法包括用于以设置在第一地面接触位置处的第一局部坐标系为基础计算设置在主体中参照坐标系的移动量的第一移动量计算步骤，其中在所述第一地面接触位置处所述可移动部分中的一个接触地面，用于以设置在第二地面接触位置处的第二局部坐标系为基础计算该参照坐标系移动量的第二移动量计算步骤，其中在所述第二地面接触位置处所述可移动部分中的另一个接触地面，以及用于计算第一局部坐标系和第二局部坐标系之间距离的距离计算步骤。在基于第一坐标系的参照坐标系的移动量、基于第二坐标系的参照坐标系的移动量、以及所述坐标系之间距离的基础上连续计算所述参照坐标系的移动量。

根据本发明该结构的优点，能够提供一种用于控制能够比现有机器人设备更精确表达观察目标的机器人设备的方法。

附图说明

图1为说明相关四脚走路机器人中识别结果处理的示意图。

图2为说明相关两脚走路机器人中识别结果处理的示意图。

图3(A)、3(B)、3(C)和3(D)为说明摆动过程中识别结果处理的示意图。

图4为本发明第一实施例的机器人的前透视图。

图5为图4中所示机器人的后透视图。

图6为说明图4中所示机器人的接合处自由度的示意图。

图7为图4中所示机器人的控制单元部分构造的功能性框图。

图8(A)和8(B)为说明着地腿之间转换的示意图。

图9为说明参照坐标系移动量的示意图。

图10为说明合并存储单元处坐标变换的示意图。

图11为说明关于球体观察结果的坐标变换的示意图。

图12(A)和12(B)为说明合并存储单元处识别结果合并的一个实例的示意图。

图13(A)和13(B)为说明与与图12所述实例不同的识别结果合并实例的示意图。

图14为说明本发明第二实施例的机器人中坐标变换的示图。

图15为说明图14中识别结果合并的示意图。

图16(A)和16(B)为说明关于弯腿坐下的坐标变换的示意图。

图17(A)、17(B)和17(C)为说明坐标变换另一个实例的示意图。

具体实施方式

下面，参照必要的附图详细说明本发明的实施例。

(1)第一实施例

(1-1)第一实施例的结构

附图4和5为本发明一个实施例的直立腿式移动机器人1的前透视图和后透视图。所述腿式移动机器人1是被称作人型机器人的机器人。其具有一个用腿移动的躯干，在所述躯干上附接有头部、上左肢和上右肢、以及下左肢和下右肢或下左腿和下右腿。通过安装在躯干中的控制单元控制整体移动。

所述下左肢和下右肢与躯干大致最下方的端部相连接，并且每个肢部从躯干向下顺序包括股、膝关节、胫、踝和足。所述上左肢和上右肢与躯干大致最上方的端部相连接，并且每个肢部从躯干向下顺序包括上臂、肘关节和前臂。头部通过颈关节与躯干大致最上方的中间部分相连接。

在腿式移动机器人1中，致动器被设置在如上肢和下肢的关节中，以对应附图6中所示的关节的自由度。通过控制单元控制这些致动器的驱动而使得整体移动协调，进而使机器人能够使用两腿行走。通常，通过重复以下过程能够实现两条腿行走：一条腿支撑周期，在所述周期中，右腿抬起而左腿支撑机器人设备；两条腿都接触地面的两腿支撑周期；一条腿支撑周期，在所述周期中，左腿抬起而右腿支撑机器人设备；以及两腿都接触地面的两腿支撑周期。

在腿式机器人1中，角度传感器被设置在关节中，所述关节的角度变化至少是安装有外部观察传感器(在下文予以说明)的头部和着地位置之间关节中两腿行走的结果。所述角度传感器被用作用于检测涉及取向改变的关节角度的取向检测传感器。由于取向而引起改变的每个部件的移动量，可由控制单元根据地面接触位置予以确定。

重量配置(weight placement)传感器被设置在下左肢和下右肢中，作为用于检测着地位置之间转换的着地位置检测装置的部分。每个重量配置传感器测量配置在相连的右腿或左腿中的重量以及由行走所引起的变化。这样，例如，根据重量配置传感器所测量的结果能够确定当前哪条腿与地面接触。在该实施例中，尽管重量配置传感器被设置在与地面接触的两个脚底部件处，但其可以被设置在踝部、膝关节、髋关节或重量配置变化类似于脚底的任何其他部件中。

在腿式移动机器人1中，一对用作外部观察传感器的成像机构被设置在头部中的眼部处。通过控制单元处理这对成像机构提供的成像结果，例如，可用称作立体视觉的方法确定用户或障碍物的坐标。

在腿式机器人1中，声音获取机构包括多个设置在头部中的类似用作外部观察传感器的传声器。这样，控制单元分析声音获取机构所获取的声音信号，以便检测出人的声音或确定声音到达方向。

附图7为用于合并及控制部件移动的一部分控制单元结构的功能性框图。控制单元10包括用于执行存储器中记录的预定处理程序的计算机。设置各种具有通过执行处理程序而获取预定功能以便控制整体移动的模块。

在所述模块中，识别器10A至10C分别处理从作为外部观察传感器设置在头部的成像机构11和声音获取机构12获取的成像结果和声音信号，以便观察机器人周围情况并输出观察结果。在此，于该实施例中，根据成像结果的图像识别，设置如根据形状识别球体的识别器、根据颜色识别球体的识别器、识别人脸的识别器和识别障碍物的识别器。

所述识别器10A至10C输出对应外部观察传感器的传感器坐标系所得到的观察结果。识别器10A至10C连续处理外部观察传感器的输出结果，以及由处理目标所获得的带有时间信息的输出识别结果。这样，这些识别器10A至10C用作通过外部观察传感器观察外部环境的观察装置，并输出对应外部观察传感器的传感器坐标系所获得的观察结果。在该实施例中，由于两腿行走而产生的取向改变所引起改变的观察结果的坐标系，可与时间信息一起被连续输出。

移动量运动学计算器10D通过确定重量配置传感器13的重量配置检测结果检测着地的腿。在此，着地腿指其上承受机器人重量的腿。在一条腿支撑周期中，所述着地腿对应与地面相接触的腿。在两条腿都与地面相接触的两条腿支撑周期中，使用直到目前已经在地面上的任一条着地腿。

更特别地，移动量运动学计算器10D根据预定阈值估算设置在左腿和右腿中的重量配置传感器13所检测的重量配置值之间的差值，以便在两脚的重量配置值之间差值超过预定时间周期的阈值时，将承受更多重量的脚确定为着地的脚(或重量配置脚)。当两脚上的重量基本相等时，如机器人设备竖直站立时，所述差值未超过阈值，使得任意着地脚继续为之前的状态。

将通过上述方法检测的着地脚用作参照，移动量运动学计算器10D，连续地检测和输出用作机器人中心坐标的原坐标(躯体参照点)的移动量。移动量运动学计算器10D在通过运动学(几何运动学)对检测的移动量基进行计算，其中将角度传感器14所检测到的关节角度用作参照。在该实施例中，将用作机器人中心坐标的原坐标设置在腰部。

所述移动量运动学计算器10D输出由齐次变换矩阵T表示的按照上述方法检测的躯体参照点的移动量，其中躯体参照点由具有设置在着地脚底处的参照位置的坐标系表示。所述齐次变换矩阵T如下所示：

$T=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& x\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& y\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

这样，在一条腿支撑周期中，当右腿在由附图8(A)中机器人前面来看的两条腿方向悬浮时，移动量运动学计算器10D将左腿设置成着地腿，并使用从左腿到下一着地腿的关节角度(变换A)计算移动量。当悬浮脚接触地面并且重量等于或大于预定值的重量配置在脚上，而引起着地腿改变时，用作参照坐标的机器人中心坐标的变换转换为以下一个着地脚为基础的变换(变换B)。在每次由附图8(B)中所示的加到变换A和B的脚码所示的脚着地时，按照上述方法由下一个着地脚提供的移动量单独给出。可是，当脚在这些时间之间悬浮的时候，取向中的改变由变换B给出。因此，通过使变换A和B相乘，使得在躯体参照点处连续发生变换。

更特别地，从侧面观看这些移动，如附图9所示，通过使用运动学，其中由设置在着地脚处的角度传感器14检测的关节角度用作参照，根据基于设置在着地脚脚底处的用作参照位置的第一地面接触点的坐标系(相对于躯体参照坐标系的所谓的局部坐标系)，连续计算躯体参照点P(t1)、P(t2)和P(t3)的移动量。类似地，根据以着地脚转换时的第二地面接触点为基础的局部坐标系，连续计算躯体参照点P(t3)、P(t4)和P(t5)的移动量。另外，通过根据第二地面接触点再变换躯体参照点P(t1)、P(t2)和P(t3)的移动量，使得再着地脚之间变换前后所检测到的参照点P(t1)至P(t3)至P(t5)的移动量被确定得使其连续变换。这样，在该实施例中，通过使用这样躯体参照用作参照，外部观察结果能够精确地表达观察目标。

从以上说明中，在该实施例中，躯干和与所述躯干相连的下肢、上肢和头部等，包括主体和多个与分别与主体相连的可移动部分，并且设置在躯干中的躯体参照坐标系为机器人参照坐标系。设置在两个下肢接触地面的第一地面接触位置和第二地面基础位置处的第一局部坐标系和第二局部坐标系，被设置在两个下肢中。所述角度传感器14和移动量运动学计算器10D包括用于在第一局部坐标系的基础上计算该参照坐标系移动量的第一移动量计算装置，在第二局部坐标系的基础上计算该参照坐标系移动量的第二移动量计算装置，以及用于计算第一局部坐标系和第二局部坐标系之间距离的装置。所述角度传感器14和移动量运动学计算器10D用于根据基于第一局部坐标系的参照坐标系的移动量、基于第二局部坐标系的参照坐标系的移动量、以及所述局部坐标系之间距离来计算该参照坐标系移动量。

除上述地面接触点对躯体参照点的坐标变换以外，移动量运动计算器10D计算类似于由关节角度的躯体参照点对外部观察传感器安装位置的坐标变换，并将其返回。以此方式改变的地面着地位置之间的移动量，由于地面着地脚之间的转换而被计算并输出。时间信息被设置在这些信息中(根据要求，在下文称作取向信息)并被输出。

合并存储部分10E合并及存储识别器10A至10C的识别结果，并根据移动描述部分10F的要求输出存储的识别结果。在此，移动描述部分10F是一种用于通过提供机器人计划目标行走路径以及对模块(未示出)发出命令并借助合并存储部分10E的合并结果修正所述计划的路径，移动机器人，以便如避免障碍物和追随所要球的模块。

所述合并存储部分10E根据机器人中心坐标合并观察结果，以便移动描述部分10F中的处理。换句话说，如果根据机器人中心坐标表示识别结果，能够描述移动，如按照机器人的观察，如果球在右边则向右摆动。这样，相对比于以广域坐标系中坐标(x1，y1)描述所述球的情况，能够简化说明。

更特别地，根据识别结果的时间信息，合并存储部分10E将所述识别结果变换成这样表示的结果，即根据使用以下公式进行计算的、按照用作预定参照坐标系并将着地脚脚底作为参照的自中心坐标系进行表示的结果。此时，相对于随两脚行走引起的取向变化而变化的着地位置，对移动量进行的修正而执行坐标变换。T指代表示上述坐标变换并由公式(1)表示的齐次变换矩阵，T左下部指代原坐标，而T右下部指代变换后的坐标系。lf指代左脚底坐标系，而rf指代右脚底坐标系。b指代用作机器人中心的躯体参照坐标系，s表示传感器坐标系，而圆括号()中指代时间。小写字母矢量指代识别目标的位置。这样，通过在时间t从左脚底变换到参照坐标系后，从参照坐标系变换到传感器坐标系时，乘以基于传感器坐标系的目标位置，给出左脚底坐标系的目标位置。在公式(2)中，_lfT_b(t)和_bT(t)表示移动量运动学计算器10D所获取的取向信息，而_sv(t)表示基于传感器坐标系并且从每个识别器10A至10C获取的识别结果。

          _lfT_b(t)×_bT(t)×_sv(t)＝_lfv(t)             (2)

合并存储部分10E临时地将移动量运动学计算器10D和识别器10A至10C的输出结果记录和保存在存储器中(称作队列)，当提供对应识别结果的时间信息的数据时(在此情况中因为需要大多数时间进行识别而获得识别结果的时候)搜索队列，并使用公式(2)进行计算。根据识别结果中的时间信息，由对应时间的移动量执行上述的操作。

更特别地，如附图10所示，在时刻t+1、t+2和t+3获得的识别结果_sv(t+1)，_sv(t+2)和_sv(t+3)被乘以对应时间的取向信息_lfT_b(t+1)、_lfT_b(t+2)和_lfT_b(t+3)和_bT(t+1)、_bT(t+2)和_bT(t+3)，以便将识别结果连续转换成按照基于左腿的坐标系表示的结果。这样，合并存储部分10E合并所述识别结果并记录和保存由预定时间周期的坐标变换提供的合并的识别结果。

当右腿在t+4时刻着地时，移动量运动学计算器10D提供移动量_lfT_rf(t+4)。连续输入其中右腿用作参照的取向信息_rfT_b(t)，而替换其中左腿作为参照的取向信息_lfT_b(t)。因此，从t+4时刻向前，合并存储部分10E使用其中右腿用作参照的取向信息_rfT_b(t)类似地执行基于公式(2)的计算，以便连续执行识别变换以按照基于右腿的坐标进行表示。这样，合并存储部分10E在没有以任何方式控制着地脚之间转换的情况下，能够处理连续获得的识别结果。

合并存储部分10E根据移动量运动学计算器10D给出的移动量_lfT_rf(t+4)通知，在记录和保存移动量的时间基础上变换之前的识别结果，使得由变换参照或着地脚而产生的识别结果对应记录和保存的识别结果。在此，通过将移动量运动学计算器10D提供的_lfT_rf(t+4)的逆矩阵(_lfT_rf(t+4))^-1乘以记录和保存的识别结果_lfv(t+1)、_lfv(t+2)和_lfv(t+3)，而执行所述坐标变换。

相应地，合并存储部分10E能很容易地合并记录和保存的识别结果并对其处理。更特别地，能够检查不同传感器的不同时刻和过滤之前观察结果的识别结果之间的关系。

将描述识别结果为球体识别结果的一个更特别的实例。如附图11所示，检测t1和t3时刻的基于传感器坐标系的球体观察结果_cT_ball(t1)和_cT_ball(t3)。当在t1时刻，左腿为着地腿，在t2时刻右腿为着地腿，以及在时刻t3右腿为着地腿时，使用时刻t1基于传感器坐标系的观察结果_cT_ball(t1)和基于参照坐标系处传感器坐标系原点的取向信息_rT_c(t1)，以通过等式_rT_ball(t1)＝_rT_c(t1)·_cT_ball(t1)表示t1时刻的_rT_ball(t1)。在附图11中示出的实施例中，为了简单示出与传感器坐标系的关系，参照坐标系的原点被设置在腰部上和传感器坐标系原点后面。在此情况中，t1时刻的参照坐标系由以左腿局部坐标系为基础的_lfT_t(t+1)表示。

当此状态后，右腿在t2时刻着地时，通过局部坐标系之间的距离或在t2时刻从左腿的地面接触点到右腿地面接触点的移动量，即通过基于左腿的局部坐标系，使得第二地面接触点能用_lfT_rf(t2)表示。这样，t1时刻的参照坐标_lfT_r(t1)与移动量_lfT_rf(t2)的逆矩阵(_lfT_rf(t2))^-1相乘，并可参照第二地面基础点由等式(_lfT_rf(t2))^-1·_lfT_r(t1)表示。类似地，t1时刻的球体位置_rT_ball(t1)与逆矩阵(_lfT_rf(t2))^-1相乘，并可参照第二地面接触点由等式(_lfT_rf(t2))^-1·_rT_ball(t1)表示。

相反，T3时刻检测的球体位置_rT_ball(t3)参照第二地面接触点由等式_rT_ball(t3)＝_rT_c(t3)·_cT_ball(t3)表示。因此，在参照坐标中参照右腿(即第二地面接触点)示出t1至t3时刻的观察结果，以便处理连续获得的识别结果。

相反，附图12(A)为说明合并存储部分10E合并来自t1时刻脸部识别器的识别结果(脸)和来自t3时刻声音识别器的识别结果(声音)的示意图。当合并存储部分10E合并这些识别结果，并由附图12(B)中所示机器人取向改变所引起的机器人移动时根据移动量来确定这两个识别结果的坐标可被修正并且将两个识别结果彼此叠加时，来确定来自不同时刻的脸部识别器和声音识别器的识别结果是某人的识别结果，从而根据自中心坐标系适当地确定该人存在的方向。

如附图13(A)所示，当由颜色识别器在t1、t2和t3时刻的识别结果来确定一粉红色目标在移动时，以及确定在这些时刻内的t1时刻球体识别器的识别结果所包括的圆形物体的坐标基本与粉红色目标坐标相匹配时，所述合并存储部分10E能确定球体为粉红色，并由自中心坐标系适当地合并和感知识别结果。

相应地，在腿式移动机器人1中，成像机构和声音获取机构被用作外部观察传感器。所述识别器10A至10C用作通过这些外部观察传感器观察外部环境、并通过每个外部观察传感器的传感器坐标系统输出观察结果的观察装置。设置在每个关节中的角度传感器用作检测关节角度的取向检测传感器，所述关节角度涉及在外部观察传感器至着地位置之间设置的关节中取向的变化。设置在左腿和右腿中的重量配置传感器与移动量运动学计算器10D共同包括，用于检测着地位置变换的着地检测装置。所述合并存储部分10E与移动量运动学计算器10D共同包括，用于将观察装置的观察结果坐标变换成预定参照坐标系坐标的坐标变换装置。在该实施例中，根据观察结果的时间信息，从取向检测传感器的检测结果中检测出相对随着取向改变而变化的着地位置的移动量。观察结果的坐标由移动量修正并被转换成预定参照坐标系的坐标。着地检测装置检测着地位置的变换以变换用于移动量检测的着地位置。

(1-2)第一实施例操作

在具有上述结构的腿式移动机器人，设置在每个部件中的致动器由设置在躯干中控制单元处的移动描述部分10F所驱动，以便使机器人用两脚行走。在腿式机器人1中，由两脚行走中使用的脚关节所引起的取向改变，使得右腿和左腿交替着地。因此，由于取向改变，使得着地位置动态改变，进而使得机器人按照移动描述部分10F给出的控制操作进行移动。

在腿式移动机器人1这样的移动中，通过设置在脚处的重量配置传感器探测在移动量运动学计算器10D处配置重量的脚。参照作为重量配置腿并以此方式检测的着地脚，根据运动学检测移动量，其中设置在关节中的角度传感器检测到的关节角度用作参照。根据这样的移动量，产生相对着地位置的躯体参照点的齐次变换矩阵，并将基于齐次变换矩阵的取向信息输出到合并存储部分10E。

所述识别器10A至10C处理来自设置于头部中外部识别传感器的成像结果和声音获取结果。其中每个外部识别传感器的坐标系用作参照的识别结果，与时间信息一起被输出到合并存储部分10E。基于从躯体参照点到设置有外部识别传感器的部分之间设置的关节处的角度传感器，移动量运动学计算器10D产生用于将基于传感器坐标系的识别结果变换至躯体参照点坐标系的齐次变换矩阵。基于齐次变换矩阵的取向信息，与时间信息一起被输出到所述合并存储部分10E。

在腿式移动机器人1中，基于齐次变换矩阵并相对检测到的着地位置表示躯体参照点的取向信息，基于齐次变换矩阵并相对躯体参照点表示传感器坐标系的取向信息，以及基于所述传感器坐标的识别结果，都参照识别结果的时间信息被处理，以便参照着地位置表示识别结果。

基于用作上述处理参照的躯体参照的参照坐标系，通过转换地面接触点而被变换并由连续的移动量示出。

因此，在机器人中，即使在命令发出时间和实际移动时间之间存在差值或在按照设置在躯干处机器人中心坐标系表示的观察结果中存在步调的误差，也能够准确地表达传感器所检测到的观察结果。例如，类似在附图3所示t2时刻的识别结果在摆动中获取的识别结果，能够通过修正基于传感器移动的观察结果的坐标系变换与之前和后述的结果相比较。因此，能够有效地消除识别结果不明确的情况。进而，腿式移动机器人1能够相对随取向改变而变化的环境表现识别结果，并很容易地合并不同时刻的识别结果。如下文所述，用作控制地面接触点和取向的模块的移动描述部分10F及用作合并模块的合并存储部分10E，可明确地按照单独元件形成。因此，易于通过移动描述部分10F来描述移动。

在腿式移动机器人1中，基于所述识别结果的坐标变换，可通过对应设置在识别结果中的时间信息的取向信息进行处理和实现。所述识别结果被记录和保存，并由合并存储部分10E所合并。

在腿式移动机器人1中，移动量运动学计算器10D根据预定阈值估算左腿和右腿处重量配置传感器的检测结果之间的差值。在此情况中，通过比较预定阈值和差值而确定着地脚转换，有效地阻止了，单个重量配置腿或如两腿支撑机器人周期期间两个重量配置腿的错误探测。

在腿式移动机器人1中，当检测到着地腿之间的转换时，具有参照躯干的取向信息参照被转换，使得具有参照下一个着地腿的取向信息被随后而连续的输出。根据着地腿之间的转换，检测由于着地腿之间转换所引起的移动量，并将其输出到合并存储部分10E。因此，合并存储部分10E参照参照着地位置表示躯体参照点的取向信息、参照躯体参照点表示传感器坐标系的取向信息、时间信息以及基于传感器坐标的识别信息，以直到当前已经存在的相同方法执行所述识别结果的坐标变换，以便参照着地位置表示识别结果。相应地，在没有以任何方法控制着地脚之间转换的情况下，能够处理连续获得的识别结果。

作为着地腿之间转换之前的坐标变换结果而被记录的识别结果，与指示着地腿之间转换所产生的移动量的齐次变换矩阵的逆矩阵相乘，以便执行坐标变换，使得识别结果由其中下一个着地腿用作参照的坐标系表示并被记录。因此，在腿式移动机器人1中，能够很容易地并可靠地合并多个相同时刻的识别结果以外的不同时刻的识别结果，从而使得如适当的移动被实现。

换句话说，在腿式移动机器人1中，以此方式记录在合并存储部分10E中的识别结果被合并，以便关于着地位置表示如最喜爱的球体或障碍物。根据这些识别结果，机器人能够移动，如跟随球体或避开障碍物。

(1-3)第一实施例的优势

根据上述结构，通过表示作为由于地面接触点之间转换而引起的坐标变换结果的参照坐标系的移动量，能够精确地表示观察目标。

换句话说，通过在参照坐标系的移动量的基础上修正每个传感器的测量值的坐标，能够精确地表示观察目标。

根据所记录和保存的修正结果的坐标变换，同样能够简单而可靠地处理脚与地面接触之前和之后提供的观察结果，所述修正结果对应于地面接触点之间转换的修正结果。

通过计算机器人设备中直到现在已经与地面相接触的部分和机器人设备中按照运动学原理与地面相接触的下一个部分之间的移动量，以及通过转换用作作为地面接触部分结果的观察参照的坐标系变换，能够精确地表示观察目标。

由于取向改变而引起的着地位置之间的这种动态改变，对应两脚行走中使用的左腿和右腿的着地位置之间的改变。所述取向检测传感器为设置在左腿和右腿关节中的角度传感器。所述着地检测装置为用于检测左腿和右腿上配置的重量的重量配置传感器，以及用于根据预定阈值估算重量配置传感器检测到的重量配置值之间差值的估算装置。因此能够有效地消除在单条重量配置腿和，如两腿支撑机器人周期期间两条重量配置腿的不正确检测。

通过记录和保存坐标变换结果并通过着地装置检测着地位置的转换，根据着地位置的转换，能够变换所记录和保存的坐标变换结果。这样，能够使连续坐标变换获得的识别结果和之前记录并保存的识别结果相一致。因此，能够很容易地合并所述识别结果。

通过合并以此方法记录并保存的坐标变换结果，以及在移动中将其反映出，能够提供精确自动的移动。

因为涉及上述坐标变换的参照坐标为以着地脚脚底作为参照的自中心坐标，所以能够很容易地描述移动。

(2)第二实施例

在本实施例中，关于前述识别结果的坐标变换的参照被设定为国际坐标。除关于参照坐标的处理不同外，本实施例的结果与第一实施例中的相同。在下文，根据需求，参照第一实施例的结构描述第二实施例的结构。

在此，如附图14所示，合并存储部分确定初始值_wT_lf(t)为根据广域坐标系中一条着地腿的取向信息。在腿式移动机器人1中，关于该初始值_wT_lf(t)的左腿被设定为着地腿并且该机器人开始行走。根据具有作为参照的左腿的取向信息，在识别结果上执行坐标变换到广域坐标系并将其从移动量运动学计算器10D中输出。在此情况中，通过将关于初始值_wT_lf(t)的变换矩阵与附图10中计算出的处理结果相乘，按照广域坐标系而不是使用着地腿作为参照的坐标系表示所述识别结果。

由于着地腿的转换，使得关于参照着地脚的初始值_wT_lf(t)，按照移动量运动学计算器10D输出的移动而被更新，以便产生涉及右腿的变换矩阵_wT_rf(t)。随后，基于传感器坐标系的识别结果被涉及右腿的变换矩阵_wT_rf(t)所处理。

附图15为示出广域坐标系中识别结果和移动路径的障碍物图。通过在是否存在球和地面之间边界的基础上识别地面，通过按照类似图像处理识别障碍物，以及通过由这些识别结果在每次距离数据基础上随机地更新二维格栅信息(grid information)来提供所述识别结果。在预定路径中，机器人移动以避开所述障碍物，并在附图14所示的状态中，机器人已经通过预定路径移至一半路径。在此任务中，在移动的同时进行观察并使其在时间方向上被合并。因此，尽管这些观察结果包括相关方法至多引起的一步偏差，但能够精确表示这些观察结果，以便实现适当的识别。

在参照坐标系被设定为广域坐标系的情况下，当对识别结果执行坐标变换时，计算的次数增加，但不必将逆矩阵与涉及着地腿转换的记录和保存的识别结果相乘，以便通过相应地简化处理操作提供与第一实施例相同的优势。

在所述处理中，能够使识别结果按照广域坐标系表示，并将按照广域坐标系表示的识别结果变换成当移动描述部分被告知识别结果时，按照具有作为参照的着地脚的局部坐标系予以表示的识别结果。

(3)第三实施例

尽管在上述实施例中，本发明应用于两脚行走引起的取向改变，但本发明不限制于此。本发明可应用于方向中各种其他类型的改变，例如附图16中所示弯腿坐所引起的取向改变。附图16中所示出的实例是，从机器人使用弯腿站立时脚底在地面上的状态(附图16(A))至脚底未在地面上的状态(附图16(B))，而产生取向改变的一个实例。在此情况中，使用按照地面接触点限定的底部，即机器人中在机器人弯腿站立时与地面最稳定接触的一部分，使得在取向改变时说明从脚底至底部之间的向前运动，以便确定移动量并告知机器人该确定的移动量。相反，通过简单的将取向改变从底部的地面接触点返回到合并部分，可在即使是合并部分处用相同的方法合并观察结果。换句话说，能够合并取向改变前和改变后的识别结果。

本发明不仅应用于简单以重量配置地点为基础的地面接触位置的转换，也不同地应用于，由于取向如附图17(A)至17(C)中分别所示的站立取向、弯腰取向和睡觉取向中的各种其他改变所引起的地面接触位置的改变。即使在这些情况中，取向改变之前和之后的识别结果可以被合并。

尽管在上述实施例中，着地腿的脚底和广域坐标系被设定为参照坐标，以便执行坐标变换，但本发明并不限于此。因此，本发明可广泛地应用于，如按照机器人躯体参照点表现识别结果。

尽管在上述实施例中，讨论了由于地面接触点转换而引起的对之前记录的观察结果执行的坐标变换，但本发明并不限于此。因此，根据需要，可在各种时间选择情况下，如处理观察结果时，设定上述坐标变换。

尽管在上述实施例中，本发明应用于两脚行走机器人，但本发明并不限于此。因此，本发明可广泛应用于，如四脚行走机器人。

相比于现有机器人，本发明能够提供精确表示的观察机器人。

工业应用性

本发明涉及一种机器人设备及控制该机器人设备的方法，并应用于如腿式移动机器人。

Claims (20)

1.一种机器人设备，包括：

主体；

多个与所述主体相连的可移动部分；

设置在所述主体中的参照坐标系；

设置在第一地面接触位置处的第一局部坐标系，在所述位置处所述可移动部分中的一个与地面相接触；

用于在所述第一局部坐标系的基础上计算该参照坐标系的移动量的第一移动量计算装置；

设置在第二地面接触位置处的第二局部坐标系，在所述位置处所述可移动部分中的另一个与地面相接触；

用于在所述第二局部坐标系的基础上计算该参照坐标系的移动量的第二移动量计算装置；以及

用于计算所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系之间距离的计算装置，

其中在基于所述第一局部坐标系的所述参照坐标系的移动量、基于所述第二局部坐标系的所述参照坐标系的移动量、以及所述局部坐标系之间的距离的基础上计算所述参照坐标系的移动量。

2.根据权利要求1所述的机器人设备，其中进一步包括：

设置在所述主体中的传感器可移动部分；

设置在所述传感器可移动部分中用于测量目标的传感器；

设置在所述传感器中的传感器坐标系统；和

用于执行所述传感器坐标系和所述参照坐标系之间的坐标变换的传感器坐标变换装置，所述传感器坐标变换装置在所述参照坐标系的移动量基础上，修正由所述传感器提供的测量值的坐标。

3.根据权利要求2所述的机器人设备，其中所述测量值的坐标修正结果被记录和保存，并且所述传感器坐标变换装置在所记录和保存的修正结果上执行坐标变换，以便与对应于由所述第一地面接触位置切换到所述第二地面接触位置的所述第二地面接触位置处地面接触之后获得的坐标修正结果相对应。

4.由于取向改变在着地位置之间发生动态改变的一种机器人设备，其中该机器人设备包括：

用于通过外部观察传感器观察外部环境，并输出对应所述外部观察传感器的传感器坐标系的观察结果的观察装置；

用于检测关节角度的取向检测传感器，所述关节角度涉及至少从所述外部观察传感器到着地位置之间设置的关节的取向变化；

用于检测着地位置之间变换的着地检测装置，以及

用于将从所述观察装置中获取的观察结果的坐标转换为预定参照坐标系坐标的坐标转换装置，

其中所述观察装置连续输出由于取向改变而引起改变的观察结果的坐标和时间信息，和

其中所述坐标转换装置由所述取向检测传感器根据观察结果的时间信息获得的检测结果中根据由取向改变而改变的着地位置检测移动量，并且所述装置通过所述移动量的修正，将观察结果的坐标转换成参照坐标系的坐标，以便根据着地检测装置所获得的着地位置之间变换的检测结果变换用于移动量检测的着地位置。

5.根据权利要求4所述的机器人设备，其中由于取向改变引起的着地位置之间的动态变化为两腿行走中使用的左脚和右脚的着地位置之间变化，所述取向检测传感器为设置在左脚和右脚关节处的角度传感器，而所述着地检测装置为用于检测左脚和右脚上重量配置值的重量配置传感器，以及用于根据预定阈值估算所述重量配置传感器检测的重量配置值之间差值的装置。

6.根据权利要求4所述的机器人设备，其中着地位置之间转换被所述着地检测装置所检测时，所述坐标变换装置记录并保存坐标变换的结果，并将记录和保存的坐标变换结果变换，以便对应着地位置之间转换。

7.根据权利要求6所述的机器人设备，其中进一步包括用于合并坐标变换装置所记录和保存的坐标变换结果，以便在移动中反映合并结果的移动描述装置。

8.根据权利要求5所述的机器人设备，其中所述参照坐标系为自中心坐标系，其中左脚和右脚的脚底用作参照。

9.根据权利要求4所述的机器人设备，其中所述参照坐标系为广域坐标系。

10.一种机器人设备，包括：

躯干；

多个与所述躯干相连的可移动的腿；

设置在所述躯干中的参照坐标系；

设置在所述可移动腿中的一个接触地面的第一地面接触位置处的第一局部坐标系；

用于在所述第一局部坐标系基础上计算该参照坐标系的移动量的第一移动量计算装置；

设置在所述可移动腿中的另一个接触地面的第二地面接触位置处的第二局部坐标系；

用于在所述第二局部坐标系基础上计算该参照坐标系的移动量的第二移动量计算装置；以及

用于计算所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系之间距离的计算装置，

其中在基于所述第一局部坐标系的移动量、基于所述第二局部坐标系的移动量、以及由于接触地面的可移动腿之间变换所引起的局部坐标系之间距离的基础上连续计算所述参照坐标系的移动量。

11.一种用于控制机器人设备的方法，所述机器人设备包括主体和多个与主体相连的可移动部分，所述方法包括：

用于以设置在第一地面接触位置处的所述第一局部坐标系为基础计算设置在主体中参照坐标系的移动量的第一移动量计算步骤，其中在所述第一地面接触位置处所述可移动部分中的一个接触地面；

用于以设置在第二地面接触位置处的所述第二局部坐标系为基础计算该参照坐标系移动量的第二移动量计算步骤，其中在所述第二地面接触位置处所述可移动部分中的另一个接触地面；以及

用于计算所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系之间距离的距离计算步骤，

其中在基于所述第一局部坐标系的参照坐标系的移动量、基于所述第二局部坐标系的参照坐标系的移动量、以及所述局部坐标系之间距离的基础上计算所述参照坐标系的移动量。

12.根据权利要求11所述的控制机器人设备的方法，其中所述机器人设备进一步包括设置在所述主体中的传感器可移动部分以及设置在所述传感器可移动部分中用于检测目标的传感器，其中所述方法进一步包括用于执行设置在所述传感器中传感器坐标系与所述参照坐标系之间坐标变换，和用于在所述参照坐标系的移动量基础上修正由所述传感器提供的测量值坐标的传感器坐标变换步骤。

13.根据权利要求12所述的控制机器人设备的方法，其中所述测量值的坐标修正结果被记录和保存，并且所述传感器坐标变换步骤包括在所记录和保存的修正结果上执行坐标变换，以便与对应于第一地面接触位置至第二地面接触位置的变换的，第二地面接触位置处地面接触之后的坐标修正结果相对应。

14.一种控制机器人设备的方法，在所述机器人中，由于取向改变而引起在着地位置之间发生动态变化，所述方法包括

用于通过所述外部观察传感器观察外部环境并通过对应所述外部观察传感器的传感器坐标系输出观察结果的观察步骤；

用于检测着地位置之间变换的着地检测步骤；以及

用于将通过所述观察步骤获得的观察结果的坐标转化为预定参照坐标系坐标的坐标转化步骤，

其中所述观察步骤包括连续输出由取向改变所引起变化的观察结果坐标和时间信息，以及

所述坐标变化步骤包括由所述取向检测传感器根据观察结果的时间信息而获得的检测结果中检测在取向变化所引起变化的着地位置之间的移动量，以及根据移动量进行的修正将观察结果的坐标转化成所述参照坐标系的坐标，以便变换用于移动量检测的着地位置，所述移动量为所述着地检测步骤中着地位置之间变换的检测结果，所述取向检测传感器检测涉及至少设置在所述外部观察传感器至着地位置之间关节的取向变化的关节角度。

15.根据权利要求14所述的控制机器人设备的方法，其中由于取向改变引起的着地位置之间的动态变化为两腿行走中使用的左脚和右脚的着地位置之间变化，所述取向检测传感器为设置在左脚和右脚关节处的角度传感器，而所述着地检测步骤包括根据预定阈值估算所述重量配置传感器检测的重量配置值之间差值，所述重量配置检测传感器检测左脚和右脚上重量配置值。

16.根据权利要求14所述的控制机器人设备的方法，其中当所述着地检测装置检测到着地位置之间转换时，所述坐标变换步骤包括记录和保存坐标变换结果，并变换所记录和保存的坐标变换结果，以便对应着地位置之间的转换。

17.根据权利要求16所述的控制机器人设备的方法，其中进一步包括用于合并所述坐标变换步骤中记录并保存的坐标变换结果，以便在移动中反映该合并结果的移动描述步骤。

18.根据权利要求15所述的控制机器人设备的方法，其中参照坐标系为自中心坐标系，其中左脚和右脚的脚底用作参照。

19.根据权利要求14所述的控制机器人设备的方法，其中所述参照坐标系为广域坐标系。

20.一种控制机器人设备的方法，所述机器人设备包括躯体和与所述躯体相连的多个移动腿，所述方法包括：

用于以设置在一第一地面接触位置处的第一局部坐标系为基础计算设置在身体中的参照坐标系的移动量的第一移动量计算步骤，其中在所述第一地面接触位置处所述可移动部分中的一个接触地面；

用于以设置在第二地面接触位置处的第二局部坐标系为基础计算该参照坐标系移动量的第二移动量计算步骤，其中在所述第二地面接触位置处所述可移动部分中的另一个接触地面；以及

用于计算所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系之间距离的距离计算步骤；

其中在基于所述第一坐标系的移动量、基于所述第二坐标系的移动量、以及由于接触地面的可移动腿之间的变换引起的所述局部坐标系之间距离的基础上连续计算所述参照坐标系的移动量。

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