專利名稱：環(huán)境識(shí)別設(shè)備及方法，路徑規(guī)劃設(shè)備及方法以及機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)境識(shí)別設(shè)備和一種環(huán)境識(shí)別方法，它們可以用于從有障礙物存在的環(huán)境中的三維數(shù)據(jù)中提取一個(gè)平面，并在所提取的平面中識(shí)別出障礙物，其中該三維數(shù)據(jù)包括視差圖像數(shù)據(jù)和距離圖像數(shù)據(jù)；本發(fā)明還涉及一種路徑規(guī)劃設(shè)備和一種路徑規(guī)劃方法，用于通過環(huán)境識(shí)別而獲得的環(huán)境地圖為基礎(chǔ)，規(guī)劃一個(gè)從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的移動(dòng)路徑；此外本發(fā)明還涉及一種配備有上述環(huán)境識(shí)別設(shè)備或路徑規(guī)劃設(shè)備的機(jī)器人。
本申請(qǐng)要求申請(qǐng)日為2003年9月19日的日本專利申請(qǐng)No.2003-329129的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部在此引用作為參考。
背景技術(shù)：
“機(jī)器人”是一種電力或者磁力驅(qū)動(dòng)使其具有類似人類(生物)動(dòng)作的機(jī)器。在日本，二十世紀(jì)六十年代后期機(jī)器人開始普及，但他們中大多數(shù)是工業(yè)機(jī)器人，包括操作以及傳送機(jī)器人，它們被設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)工廠中的自動(dòng)化以及無人生產(chǎn)線。
近年以來，人們一直致力于研究能夠在人們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境的各個(gè)方面擔(dān)任助手并且具有象人類一樣的行為的實(shí)用機(jī)器人。與工業(yè)機(jī)器人不同，實(shí)用機(jī)器人具有學(xué)習(xí)如何使自己適應(yīng)具有不同個(gè)性的人并且適應(yīng)我們的日常生活環(huán)境的各個(gè)方面的不同情況的能力。例如，“寵物型”機(jī)器人具有類似四腳動(dòng)物例如狗或者貓的身體機(jī)制和動(dòng)作，而“人類型”機(jī)器人或者“類人外形”機(jī)器人則通過使用人類或者其他兩腳動(dòng)物的身體機(jī)制和動(dòng)作作為模型來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且已經(jīng)開始實(shí)際使用。
如果與工業(yè)機(jī)器人相比較，實(shí)用機(jī)器人可以表演來娛樂人類，因此有些時(shí)候它們被稱為娛樂機(jī)器人。此外，正在研究中的這種類型的某些機(jī)器人可以根據(jù)一些外部傳感器輸出識(shí)別外部情況，并且響應(yīng)外部信息和內(nèi)部條件獨(dú)立工作。
同時(shí)，不必多說，對(duì)一個(gè)獨(dú)立(autonomous)機(jī)器人來說，具有識(shí)別其周圍環(huán)境、規(guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑以及按照所規(guī)劃的路徑進(jìn)行移動(dòng)的能力是很重要的。為了使一個(gè)機(jī)器人可以識(shí)別環(huán)境，獲得關(guān)于該機(jī)器人周圍的障礙物信息是很必要的。因此，該機(jī)器人需要從包括有視差圖像數(shù)據(jù)和距離圖像數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)中檢測一個(gè)平面，該平面可能是地面(floor)，并識(shí)別所述障礙物。
公開號(hào)為No.3340599的日本專利申請(qǐng)公開了一種平面估算方法，其利用哈夫(Hough)變換來從三維數(shù)據(jù)中檢測一平面以用于精確獲得一個(gè)平面上的距離數(shù)據(jù)。上述專利文獻(xiàn)所描述的技術(shù)中，在一個(gè)獲得的空間圖像中，通過將立體圖像劃分為小的矩形區(qū)域，從所述小的區(qū)域中獲取距離數(shù)據(jù)，再通過哈夫變換從M距離數(shù)據(jù)中提供一個(gè)平面-通過線路，來估算一個(gè)平面，其中該M距離數(shù)據(jù)是包含在將很多小的區(qū)域沿著水平方向合并所形成的每個(gè)大的區(qū)域中，并且對(duì)所有大的區(qū)域都進(jìn)行上述相同操作。
然而，因?yàn)橐粋€(gè)移動(dòng)型機(jī)器人通過這種方式檢測一如地面的平面，準(zhǔn)備一個(gè)移動(dòng)路徑規(guī)劃以便避開地面上為障礙物的對(duì)象。接下來，當(dāng)一個(gè)獨(dú)立移動(dòng)機(jī)器人被設(shè)計(jì)來檢測一個(gè)從地面突起的為障礙物的對(duì)象的時(shí)候，所出現(xiàn)的問題是當(dāng)一個(gè)該機(jī)器人實(shí)際能在其上移動(dòng)的樓梯被檢測為障礙物的時(shí)候，該機(jī)器人可能將其判斷為不能在上面移動(dòng)。除非將包含樓梯的位置和輪廓的信息以及機(jī)器人能在其上移動(dòng)的事實(shí)提前輸入到該機(jī)器人中，否則這種能夠登樓梯的機(jī)器人可能將其識(shí)別為一個(gè)障礙物。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述現(xiàn)有技術(shù)的識(shí)別環(huán)境，由此本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)境識(shí)別設(shè)備和一種環(huán)境識(shí)別方法以及一種路徑規(guī)劃設(shè)備和一種路徑規(guī)劃方法，和一種裝配有上述環(huán)境識(shí)別設(shè)備及路徑規(guī)劃設(shè)備的機(jī)器人裝置。該環(huán)境識(shí)別設(shè)備和環(huán)境識(shí)別方法能夠繪制一個(gè)環(huán)境地圖，用于判斷是否可以移動(dòng)到一個(gè)發(fā)現(xiàn)具有一個(gè)或多個(gè)高于或低于一個(gè)地面的臺(tái)階的區(qū)域，所述路徑規(guī)劃設(shè)備和路徑規(guī)劃方法能夠利用所述環(huán)境地圖適當(dāng)?shù)匾?guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，上述的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即將一個(gè)環(huán)境識(shí)別設(shè)備提供給一個(gè)在包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中的移動(dòng)型機(jī)器人以識(shí)別該環(huán)境，該裝置包括平面檢測裝置，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測平面；障礙物識(shí)別裝置，用于識(shí)別由該平面檢測裝置檢測的平面上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新裝置，用于根據(jù)由障礙物識(shí)別裝置所識(shí)別的障礙物的信息來繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖；其中該平面檢測裝置適于檢測一組平面，該組平面中包括一個(gè)用作參考的參考平面以及一個(gè)或多個(gè)基本上與所述參考平面平行的其他平面；該環(huán)境地圖更新裝置適于為該組平面中具有被所述障礙物識(shí)別裝置識(shí)別出的障礙物的平面繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖。
因此根據(jù)本發(fā)明，使一個(gè)移動(dòng)型機(jī)器人不僅可以檢測一例如地面的參考平面而且可以檢測多個(gè)平行于該參考平面的平面，以及繪制一個(gè)環(huán)境地圖或更新每一平面的現(xiàn)有環(huán)境。換句話說，該機(jī)器人能夠產(chǎn)生環(huán)境地圖以用于三維地識(shí)別該環(huán)境。
該參考平面可能是所述地面或所述機(jī)器人移動(dòng)的移動(dòng)平面。因此，當(dāng)該移動(dòng)型機(jī)器人在該地面上移動(dòng)時(shí)，該地面被用作參考平面。另一方面，當(dāng)該移動(dòng)型機(jī)器人在一個(gè)樓梯上移動(dòng)時(shí)，該機(jī)器人正在其上移動(dòng)的平面被用作參考平面。
優(yōu)選地，該機(jī)器人能夠在其上移動(dòng)的每一平面應(yīng)當(dāng)具有一定表面區(qū)域。優(yōu)選地，在所述參考平面以及每一平面之間的高度差不應(yīng)大于一預(yù)定值。優(yōu)選地，所述平面除所述參考平面以外還包括一個(gè)平面，其高度表明了該機(jī)器人識(shí)別范圍內(nèi)的所述參考平面具有最小的高度差異。那么，如果所述機(jī)器人適合于提取一個(gè)平面，其高度與所述參考平面高度的差異是所述機(jī)器人能夠跨過的。那么，該平面極有可能被選為該機(jī)器人的移動(dòng)路徑的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種環(huán)境識(shí)別方法，該方法被在一個(gè)包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中的移動(dòng)型機(jī)器人使用來識(shí)別所述環(huán)境，該方法包括平面檢測步驟，基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測平面；障礙物識(shí)別步驟，識(shí)別在該平面檢測步驟中檢測的平面上存在的任何障礙物；以及環(huán)境地圖更新步驟，基于在該障礙物識(shí)別步驟中識(shí)別的障礙物信息繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有地圖；其中該平面檢測步驟適于檢測一組平面，該組平面包括一個(gè)用作參考的參考平面和一個(gè)或多個(gè)基本上與該參考平面平行的平面；該環(huán)境地圖更新步驟適于為該組平面中具有在障礙物識(shí)別步驟中被識(shí)別出的障礙物的平面，繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了將一種路徑規(guī)劃設(shè)備，該設(shè)備被在包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中的一個(gè)移動(dòng)型機(jī)器人使用，以便規(guī)劃一個(gè)從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的移動(dòng)路徑，該設(shè)備包括平面檢測裝置，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測一個(gè)用作參考的參考平面，以及一組包括一個(gè)或多個(gè)不同于該參考平面且與該參考平面基本上平行的平面；障礙物識(shí)別裝置，用于識(shí)別在由平面檢測裝置檢測的該組平面的每一個(gè)上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新裝置，基于由障礙物識(shí)別裝置識(shí)別的障礙物信息，為該組平面中的每個(gè)平面繪制一個(gè)環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有的環(huán)境地圖；以及路徑規(guī)劃裝置，用于基于由環(huán)境地圖更新裝置繪制和/或更新的環(huán)境地圖為機(jī)器人規(guī)劃移動(dòng)路徑。
因此，根據(jù)本發(fā)明，一個(gè)機(jī)器人可以通過提取多個(gè)互相平行的平面以及取得有關(guān)在任一平面上的任何障礙物的信息，而獲得包括三維環(huán)境地圖的一組環(huán)境地圖，并且可以在所述多個(gè)的環(huán)境地圖基礎(chǔ)上規(guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑。所以，如果與僅僅在單個(gè)環(huán)境地圖的基礎(chǔ)上制訂的路徑規(guī)劃相比，由一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的路徑規(guī)劃裝置制定的上述路徑規(guī)劃能夠提供一個(gè)較寬的變化范圍。
所述路徑規(guī)劃裝置能夠以一預(yù)定方式將各環(huán)境地圖分為多個(gè)區(qū)域，計(jì)算當(dāng)從所述機(jī)器人的當(dāng)前位置移動(dòng)到一個(gè)目標(biāo)位置時(shí)經(jīng)過每一區(qū)域所必需的成本，以及根據(jù)所述計(jì)算出的成本來規(guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑。因此，其能夠選擇成本最小的路徑。
所述環(huán)境地圖可包括包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的障礙物區(qū)域，以及允許自由運(yùn)動(dòng)的自由空間區(qū)域和未觀測的區(qū)域，以及如果一個(gè)相應(yīng)于當(dāng)前移動(dòng)平面的第一環(huán)境地圖包含一個(gè)或多個(gè)障礙物區(qū)域，則所述路徑規(guī)劃裝置就參考一個(gè)相應(yīng)于與當(dāng)前移動(dòng)平面不同的一個(gè)平面的第二環(huán)境地圖，并且如果所述障礙物區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)在第二環(huán)境地圖中的自由空間區(qū)域，則所述障礙物區(qū)域被認(rèn)為是可移動(dòng)區(qū)域。如果一個(gè)環(huán)境地圖僅用于一個(gè)地面，則一個(gè)不能行走的區(qū)域可能具有多個(gè)平面的環(huán)境地圖，并且能夠通過參考這種環(huán)境地圖選擇移動(dòng)路徑候選。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種路徑規(guī)劃方法，該方法由在一個(gè)包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中由移動(dòng)型機(jī)器人使用，以規(guī)劃從當(dāng)前位置移動(dòng)到一個(gè)目標(biāo)位置的移動(dòng)路徑，該方法包括平面檢測步驟，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測一個(gè)用作參考的參考平面，以及一組包括一個(gè)或多個(gè)不同于該參考平面且與該參考平面基本上平行的平面；障礙物識(shí)別步驟，用于識(shí)別在平面檢測步驟中檢測的該組平面的每一個(gè)上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新步驟，基于在障礙物識(shí)別步驟中識(shí)別的障礙物信息，為該組平面中的每個(gè)平面繪制一個(gè)環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有的環(huán)境地圖；以及路徑規(guī)劃步驟，用于基于在環(huán)境地圖更新步驟中繪制和/或更新的環(huán)境地圖為機(jī)器人規(guī)劃移動(dòng)路徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種可以在包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中獨(dú)立移動(dòng)的移動(dòng)型機(jī)器人，并且所述機(jī)器人具有一個(gè)環(huán)境識(shí)別設(shè)備用于識(shí)別所述環(huán)境，所述環(huán)境識(shí)別設(shè)備包括平面檢測裝置，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測平面；障礙物識(shí)別裝置，用于識(shí)別由該平面檢測裝置檢測的平面上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新裝置，用于根據(jù)由障礙物識(shí)別裝置所識(shí)別的障礙物的信息來繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖；其中該平面檢測裝置適于檢測一組平面，該組平面中包括一個(gè)用作參考的參考平面以及一個(gè)或多個(gè)基本上與所述參考平面平行的其他平面；該環(huán)境地圖更新裝置適于為該組平面中具有被所述障礙物識(shí)別裝置識(shí)別出的障礙物的平面，繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種機(jī)器人，使其適于在包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中獨(dú)立規(guī)劃一個(gè)從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的移動(dòng)路徑，并且具有一個(gè)路徑規(guī)劃設(shè)備用于識(shí)別所述環(huán)境以及規(guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑，所述路徑規(guī)劃設(shè)備包括平面檢測裝置，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測一個(gè)用作參考的參考平面，以及一組包括一個(gè)或多個(gè)不同于該參考平面且與該參考平面基本上平行的平面；障礙物識(shí)別裝置，用于識(shí)別在由平面檢測裝置檢測的該組平面的每一個(gè)上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新裝置，基于由障礙物識(shí)別裝置識(shí)別的障礙物信息，為該組平面中的每個(gè)平面繪制一個(gè)環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有的環(huán)境地圖；以及路徑規(guī)劃裝置，用于基于由環(huán)境地圖更新裝置繪制和/或更新的環(huán)境地圖為機(jī)器人規(guī)劃移動(dòng)路徑。
因此，根據(jù)本發(fā)明的環(huán)境識(shí)別設(shè)備以及環(huán)境識(shí)別方法適用于提取一組彼此平行的平面以及基于該平面組中識(shí)別出的障礙物的信息，繪制一組顯示每一平面中所述障礙物占有率的環(huán)境地圖。因此，機(jī)器人可以在一個(gè)包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中獨(dú)立移動(dòng)并能三維地掌握所述環(huán)境。
因此，根據(jù)本發(fā)明的路徑規(guī)劃設(shè)備以及路徑規(guī)劃方法適合于，通過參考一組用于三維地掌握所述環(huán)境的環(huán)境地圖來規(guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑，并由此能夠提供一個(gè)較寬的移動(dòng)范圍。例如，他們能夠規(guī)劃包括一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人能夠登上的一層或多層樓梯的移動(dòng)路徑。
根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器人能夠基于從根據(jù)一組平面獲得的一組環(huán)境地圖三維地掌握環(huán)境，該環(huán)境中存在一個(gè)或多個(gè)障礙物，所述平面包括一個(gè)可能是地面的參考平面以及一組與所述參考平面平行的一組平面。當(dāng)這樣一組環(huán)境地圖用于規(guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑時(shí)，就可以規(guī)劃一個(gè)穿過一個(gè)區(qū)域的移動(dòng)路徑，如果參考通過僅參考機(jī)器人當(dāng)前正移動(dòng)的平面繪制的環(huán)境地圖，則該區(qū)域可能被判定為不可行走的。因此，所述機(jī)器人在沒有任何外部指令的情況下能夠選擇樓梯等類似物并將它放在所述移動(dòng)路徑中，并且自動(dòng)地執(zhí)行上樓梯的動(dòng)作。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)機(jī)器人的實(shí)施例的簡略方框圖；圖2是圖1的機(jī)器人的軟件配置的示意圖；圖3是圖1的機(jī)器人的軟件的操作流程圖；圖4A是用于圖1的機(jī)器人的計(jì)算障礙物網(wǎng)格的操作流程圖，以及圖4B示出用于圖1的機(jī)器人的計(jì)算絕對(duì)坐標(biāo)的操作流程圖；圖5是參與從提取多個(gè)平面到規(guī)劃圖1的機(jī)器人的移動(dòng)路徑的處理操作的功能單元的示意圖；圖6是圖1的機(jī)器人在提取一個(gè)平面時(shí)用于產(chǎn)生視差圖像的操作示意圖；圖7是圖1的機(jī)器人從一個(gè)輸入圖像中識(shí)別障礙物的操作流程圖；圖8是圖1的機(jī)器人檢測一個(gè)平面參數(shù)的操作流程圖；圖9是當(dāng)檢測一個(gè)平面參數(shù)時(shí)，圖1的機(jī)器人所使用的一個(gè)參數(shù)空間(θ，)(投票空間)的頻率曲線圖；圖10是將由多個(gè)平面檢測區(qū)域401檢測出的平面參數(shù)(θ，)用作角度和偏移量的函數(shù)，以及由所檢測的平面參數(shù)指示的相應(yīng)平面而形成的直方圖；圖11是將機(jī)器人的照相機(jī)坐標(biāo)系變換成其底部接觸地面的坐標(biāo)系的示意圖；
圖12是在一個(gè)地面上選擇的測試點(diǎn)的示意圖；圖13A是圖1的機(jī)器人的觀察視野示意圖，圖13B是從所述機(jī)器人視野中提取的地面圖像示意圖，圖13C是通過變換圖13B的坐標(biāo)而獲得的平面(二維)上的一個(gè)障礙物的示意圖；圖14是從在由障礙物信息產(chǎn)生的環(huán)境地圖上的所述機(jī)器人的當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的路徑示意圖；圖15A是一個(gè)機(jī)器人試圖移動(dòng)到一樓梯上的示意圖，以及圖15B是當(dāng)前繪制的環(huán)境地圖的示意圖；圖16是圖15A的機(jī)器人的路徑規(guī)劃算法的流程圖；圖17是由圖15A的機(jī)器人實(shí)際繪制的一個(gè)環(huán)境地圖；圖18是由圖15A的機(jī)器人實(shí)際繪制的另一個(gè)環(huán)境地圖；圖19是由圖15A的機(jī)器人實(shí)際繪制的再一個(gè)環(huán)境地圖；圖20是一個(gè)機(jī)器人試圖移動(dòng)到一個(gè)樓梯上的示意圖；圖21是圖20的試圖移動(dòng)到樓梯上的機(jī)器人所繪制的環(huán)境地圖示意圖；圖22A和22B是所述機(jī)器人試圖從一個(gè)平面移動(dòng)到另一個(gè)平面的一個(gè)實(shí)例的示意圖，圖22A是所述機(jī)器人試圖一步步移動(dòng)到另一個(gè)房間的示意圖，圖22B是這兩個(gè)房間的環(huán)境地圖的示意圖；圖23是上述實(shí)施例的機(jī)器人的示意性透視圖；圖24是所述機(jī)器人的每個(gè)連接點(diǎn)的自由度的示意圖；以及圖25是所述機(jī)器人的控制系統(tǒng)示意圖，其中示出了該系統(tǒng)的配置。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，本發(fā)明將要結(jié)合附圖更加詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器人的一個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例中的機(jī)器人是一個(gè)能夠獨(dú)立移動(dòng)的機(jī)器人，它是通過裝配了一個(gè)用于提取多個(gè)平面并且繪制顯示在每一個(gè)平面上的障礙物(如果有的話)信息的環(huán)境地圖的環(huán)境識(shí)別設(shè)備，以及一個(gè)用于根據(jù)由所述環(huán)境識(shí)別設(shè)備繪制的環(huán)境地圖規(guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑的路徑規(guī)劃設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。
該實(shí)施例中的所述環(huán)境識(shí)別設(shè)備適合于提取一個(gè)參考平面作為參考以及平行于該參考平面，的多個(gè)平行平面，該參考平面可以是裝配有上述設(shè)備的所述機(jī)器人的一只腳所在的平面(站立平面)。然后，所述環(huán)境識(shí)別設(shè)備計(jì)算障礙物在每一平行平面上的占有率并且繪制一個(gè)地圖。裝有該設(shè)備的并有腿移動(dòng)型機(jī)器人能夠判斷樓梯臺(tái)階是否構(gòu)成一個(gè)障礙物以及它是否能夠移動(dòng)到其上，該機(jī)器人可以判斷一個(gè)包括臺(tái)階的區(qū)域不是障礙物，并且將所述臺(tái)階作為路徑候選物來規(guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑。
該實(shí)施例是一個(gè)裝備有一個(gè)環(huán)境識(shí)別設(shè)備以及一個(gè)路徑規(guī)劃設(shè)備并且適合于獨(dú)立移動(dòng)的兩腳行走型機(jī)器人。圖1是根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器人的實(shí)施例的簡略方框圖。如圖1所示，機(jī)器人1具有一個(gè)頭單元3，其裝備有一對(duì)CCD照相機(jī)200R、200L以及一個(gè)裝備在CCD照相機(jī)200R、200L(此后將它們分別稱為右眼200R和左眼200L)下游的立體圖像處理設(shè)備210。由眼睛或所述CCD照相機(jī)所拾取的右眼圖像201R以及左眼圖像201L，被輸入到所述立體圖像處理設(shè)備210。所述立體圖像處理設(shè)備210計(jì)算圖像201R、201L的視差信息(不同數(shù)據(jù))(距離信息)，并對(duì)每一幀交替為左右產(chǎn)生彩色圖像(YUV亮度Y，UV色差)D1以及視差圖像(YDR亮度Y，視差D，可靠性R)D2。這里，“視差”這一術(shù)語指的是在空間中一個(gè)點(diǎn)的左眼圖像和右眼圖像之間的差，該差作為離各照相機(jī)的點(diǎn)的距離的函數(shù)變化。
所述彩色圖像D1以及所述視差圖像D2輸入到包含在機(jī)器人1的軀干部分260中的CPU 220(控制部分)。所述機(jī)器人1的每一處關(guān)節(jié)裝備有一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器230，每一關(guān)節(jié)的致動(dòng)器的馬達(dá)根據(jù)從CPU 220反饋的控制信號(hào)D3的命令值作為命令來驅(qū)動(dòng)。每一個(gè)關(guān)節(jié)(致動(dòng)器)具有一個(gè)電位器，以便將所述致動(dòng)器的馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度傳輸?shù)剿鯟PU 220。機(jī)器人的傳感器240包括設(shè)置在各致動(dòng)器的電位器、設(shè)置在腳底部的接觸式傳感器以及設(shè)置在軀干部分的陀螺(gyro)傳感器，傳感器240基于每一關(guān)節(jié)當(dāng)前角度、設(shè)置信息、姿勢(shì)信息及其他有關(guān)該機(jī)器人的信息來監(jiān)視該機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，并且將這些信息輸出到所述CPU 220來作為傳感器數(shù)據(jù)D4。CPU 220從立體圖像處理設(shè)備210中接收所述彩色圖像D1以及所述視差圖像D2，以及包括來自致動(dòng)器230所有關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)的所述傳感器數(shù)據(jù)D4，來作為它的軟件輸入。
本實(shí)施例的機(jī)器人的軟件以一個(gè)對(duì)象接一個(gè)對(duì)象為基礎(chǔ)來配置，并且被設(shè)計(jì)來識(shí)別位置、移動(dòng)量、周圍障礙物和機(jī)器人的環(huán)境地圖，它執(zhí)行一個(gè)處理操作，用于輸出該機(jī)器人最終能夠接受的動(dòng)作的動(dòng)作串。用于示出該機(jī)器人的位置的機(jī)器人的坐標(biāo)系，典型地包括一個(gè)世界參照系統(tǒng)的照相機(jī)坐標(biāo)系(此后也將其稱為絕對(duì)坐標(biāo)系)，該坐標(biāo)系具有位于根據(jù)一特定對(duì)象而選擇的一個(gè)預(yù)定位置的原點(diǎn)，其中該特定對(duì)象例如是一個(gè)路標(biāo)；和一個(gè)以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系(此后也將其稱為絕對(duì)坐標(biāo)系)，該坐標(biāo)系將該機(jī)器人本身所在位置作為原點(diǎn)。
圖2示出本實(shí)施例的機(jī)器人軟件配置的示意圖。參考圖2，每個(gè)圓圈表示被稱為對(duì)象或處理的一個(gè)實(shí)體。整個(gè)系統(tǒng)作為對(duì)象操作相互異步通信。每個(gè)對(duì)象被驅(qū)動(dòng)以交換數(shù)據(jù)，并通過用于通過共享存儲(chǔ)器對(duì)象間互相通信和消息通信的技術(shù)來調(diào)用一個(gè)程序。
如圖2所示，軟件300包括一個(gè)運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310，一個(gè)平面提取部分PLEX 320，一個(gè)網(wǎng)格(grid)占有率計(jì)算部分(占有網(wǎng)格)OG 330，一個(gè)路標(biāo)位置檢測部分(路標(biāo)傳感器)CLS 340，一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分(定位)LZ 350以及一個(gè)動(dòng)作決定部分(位于行為層)SBL 360。所述軟件300的該處理操作以一個(gè)對(duì)象接一個(gè)對(duì)象為基礎(chǔ)來執(zhí)行。
現(xiàn)在，如圖2所示的機(jī)器人1的軟件操作將在下面進(jìn)行描述。圖3是如圖2所示的機(jī)器人的軟件300的操作流程圖。
參考圖3，圖像數(shù)據(jù)D5和傳感器數(shù)據(jù)D4輸入到圖2所示的軟件300的運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310。所述圖像數(shù)據(jù)D5包括上面描述的彩色圖像D1的數(shù)據(jù)以及視差圖像D2的數(shù)據(jù)。所述傳感器數(shù)據(jù)D4包括關(guān)于機(jī)器人關(guān)節(jié)角度的數(shù)據(jù)。所述運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310接收所述輸入數(shù)據(jù)D5、D4，并更新存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)(步驟S1)。
然后，運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310在圖像數(shù)據(jù)D5和傳感器數(shù)據(jù)D4之間建立時(shí)間對(duì)應(yīng)(步驟S2)。更具體地，它計(jì)算確定當(dāng)獲得所述圖像數(shù)據(jù)D5的一個(gè)圖像時(shí)所述傳感器數(shù)據(jù)D4的每一關(guān)節(jié)的角度。然后，它利用所述關(guān)于關(guān)節(jié)角度的數(shù)據(jù)，將具有以機(jī)器人1所在位置作為原點(diǎn)的以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換成設(shè)置在頭單元2的照相機(jī)200R/L的坐標(biāo)系(步驟S3)。所述運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310適合于從所述以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系中引出所述照相機(jī)坐標(biāo)系的一個(gè)齊次變換矩陣，以及將該齊次變換矩陣D6和相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶R(shí)別圖像的對(duì)象。更具體地，該運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310將齊次變換矩陣D6和相應(yīng)的視差圖像D2輸出到多個(gè)平面提取部分PLEX 320，還將齊次變換矩陣D6和彩色圖像Dl輸出到路標(biāo)位置檢測部分CLS 340。
然后，該軟件300利用底部傳感器，基于從所述傳感器數(shù)據(jù)D4獲得的步行參數(shù)以及該機(jī)器人1所走的步數(shù)來計(jì)算該機(jī)器人1的移動(dòng)量，然后計(jì)算該機(jī)器人1在所述以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系中的移動(dòng)量。所述以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系中的移動(dòng)量在下文中也可被稱為測距(odometry)。該測距D7隨后輸出到所述網(wǎng)格占用率計(jì)算部分OG 330以及所述絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分LZ 350。然后，當(dāng)所述路標(biāo)位置檢測部分CLS 340以及所述絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分LZ 350計(jì)算并且更新該絕對(duì)坐標(biāo)(步驟S4，S5)時(shí)，所述多個(gè)平面提取部分PLEX 320以及所述網(wǎng)格占用率計(jì)算部分OG 330計(jì)算并且更新所述障礙物的網(wǎng)格占用率(環(huán)境地圖)。
在步驟S4、S5中，所述多個(gè)平面提取部分PLEX 320和所述網(wǎng)格占用率計(jì)算部分OG 330的處理操作，以及所述路標(biāo)位置檢測部分CLS 340和所述絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分LZ 350的處理操作是同步并行進(jìn)行的。
更具體地，在步驟S4中計(jì)算確定所述障礙物網(wǎng)格是以這種方式進(jìn)行的，即包括由所述運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310所計(jì)算的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的齊次變換矩陣D6和從立體照相機(jī)獲得的相應(yīng)的視差圖像D2，被首先輸入到所述多個(gè)平面提取部分PLEX 320，來更新存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)(步驟S11)。然后，通過所述立體照相機(jī)的校準(zhǔn)參數(shù)及其他參數(shù)，從所述視差圖像D2中計(jì)算所述三維位置數(shù)據(jù)(范圍數(shù)據(jù))(步驟12)。其后，除墻和桌子以外的平面典型地通過哈夫變換由所述范圍數(shù)據(jù)來提取。另外，與機(jī)器人的一個(gè)腳底或兩個(gè)腳底所接觸的對(duì)應(yīng)平面從所述坐標(biāo)變換矩陣D6中獲得，并且選擇出地面，而從地面到不位于該地面的一點(diǎn)，例如，一個(gè)位于高于一預(yù)定閾值的位置并被認(rèn)為是一個(gè)障礙物的點(diǎn)被計(jì)算并且所獲得的障礙物信息D8被輸出到所述網(wǎng)格占有率計(jì)算部分330(步驟S13)。
此外，如下文中將要更詳細(xì)描述的，該實(shí)施例中的平面提取部分PLEX 320不僅提取地面還提取一組包括多個(gè)平行于所述地面的平面，并且計(jì)算從所述地面到不位于該地面并被認(rèn)為是一個(gè)障礙物的一點(diǎn)的距離，以及從每一平面到不位于該平面并被認(rèn)為是一個(gè)障礙物的一點(diǎn)的距離。然后，所述平面提取部分PLEX 320將獲得的障礙物信息輸出到所述網(wǎng)格占有率計(jì)算部分330。當(dāng)所述機(jī)器人在其上移動(dòng)的平面，例如，所述地面，被選為參考平面并提取與所述參考平面存在小高度差的平面，所提取的平面將為機(jī)器人的移動(dòng)提供有效的候選平面。換句話說，如在下文中詳細(xì)描述的，優(yōu)先通過提取與所述地面存在小高度差的并且所述機(jī)器人能夠在其上移動(dòng)的平面來繪制環(huán)境地圖，并且當(dāng)一個(gè)通過輪子移動(dòng)或者用腿以兩個(gè)或四個(gè)腳移動(dòng)的行走型機(jī)器人執(zhí)行所述路徑規(guī)劃時(shí)，所述環(huán)境地圖能夠被有效地使用。就距離而言接近所述參考平面的平面能夠被來優(yōu)先提取。
由于參考平面以及一組平行于所述參考平面的多個(gè)平面被提取，并且每一平面上的障礙物(如果存在的話)被識(shí)別出來，所述障礙物信息就被輸出到所述網(wǎng)格占有率計(jì)算部分330。所述平行于可以是地面的參考平面的平面將在下文中進(jìn)行描述，這組平面不僅可以包括平行于所述地面的平面，而且還可包括與所述參考平面之間存在一個(gè)小角度的平面，例如坡度。
當(dāng)由所述運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310計(jì)算確定的測距314以及通過所述平面提取部分PLEX 320計(jì)算確定的有關(guān)所觀察到的障礙物321的信息，被輸入到所述網(wǎng)格占有率計(jì)算部分OG 330，就更新所述存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)(步驟S14)。然后，代表所述障礙物是否被發(fā)現(xiàn)位于地面上的概率的每一障礙物的網(wǎng)格占有率，被概率更新(步驟S15)。
另外，代表該障礙物是否被發(fā)現(xiàn)位于所述地面以外的一組平面中任一個(gè)平面上的概率的每一障礙物的網(wǎng)格占有率，被概率更新。
所述網(wǎng)格占有率計(jì)算部分OG 330保持顯示在所述機(jī)器人1周圍，例如，在一個(gè)機(jī)器人1為中心的4m半徑圓圈中障礙物的信息(所述障礙物的網(wǎng)格占有率)，以及指出所述機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角方向的方位信息的環(huán)境地圖，并且更新該環(huán)境地圖。因此，當(dāng)輸出識(shí)別的更新結(jié)果(障礙物信息D8)時(shí)，所述上層或者所述實(shí)施例的路徑規(guī)劃確定部分SBL 360，能夠制定一個(gè)避開所述障礙物的規(guī)劃。如上所述，所述網(wǎng)格占有率計(jì)算部分OG 330從所述平面提取部分PLEX 320接收多個(gè)平面以及關(guān)于其的障礙物信息，以便可以更新每一平面的環(huán)境地圖。
另一方面，為了在計(jì)算步驟S4中的絕對(duì)坐標(biāo)，首先當(dāng)齊次變換矩陣D6和彩色圖像D1作為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310中輸入到路標(biāo)位置檢測部分CLS340中時(shí)，就更新存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的相應(yīng)的數(shù)據(jù)(步驟S21)。然后，執(zhí)行處理圖像D1的操作以檢測該機(jī)器人1事先適于識(shí)別的任一彩色路標(biāo)。然后，彩色圖像D1中的彩色路標(biāo)的位置和大小被轉(zhuǎn)換為照相機(jī)坐標(biāo)系中的位置。另外，齊次變換矩陣D6用于將照相機(jī)坐標(biāo)系中的彩色路標(biāo)的位置轉(zhuǎn)換為以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系中的位置，并且在以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系中的有關(guān)彩色路標(biāo)的信息D10(彩色路標(biāo)相對(duì)位置信息)被輸出到絕對(duì)左邊計(jì)算部分LZ350中(步驟S22)。
更具體地，路標(biāo)位置檢測部分CL 340從機(jī)器人1的傳感器信息中識(shí)別出該機(jī)器人1的自身位置(位置和姿勢(shì))，以及關(guān)于機(jī)器人1在一個(gè)環(huán)境中動(dòng)作的動(dòng)作信息，其中該環(huán)境典型地包括示出可以是綠、粉、藍(lán)或一些其他顏色的色彩的人造的彩色路標(biāo)。
當(dāng)絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分LZ 350從運(yùn)動(dòng)測距部分KINE 310中接收測距D7，并從路標(biāo)位置檢測部分CLS 340中接收彩色路標(biāo)相對(duì)位置信息D10，就更新存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的相應(yīng)的數(shù)據(jù)(步驟S23)。然后，通過利用由絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分LZ 350事先識(shí)別的彩色路標(biāo)的絕對(duì)坐標(biāo)(世界坐標(biāo)系中的)、彩色路標(biāo)相對(duì)位置信息D10和測距D7，機(jī)器人的絕對(duì)坐標(biāo)(世界坐標(biāo)系中的機(jī)器人位置)被概率計(jì)算(步驟S24)。然后，絕對(duì)坐標(biāo)位置D11被輸出到路徑規(guī)劃確定部分SBL 360。
現(xiàn)在回到圖3，當(dāng)路徑規(guī)劃確定部分SBL 360從網(wǎng)格占有率部分OG 330中接收每個(gè)平面的障礙物信息D9并從絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分LZ 350中接收絕對(duì)坐標(biāo)位置D11時(shí)，就更新存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的相應(yīng)的數(shù)據(jù)(步驟S5)。然后，路徑規(guī)劃確定部分SBL 360基于來自網(wǎng)格占有率計(jì)算部分OG 330的障礙物信息D9和來自絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分LZ 350的機(jī)器人1的當(dāng)前絕對(duì)坐標(biāo)，而獲取機(jī)器人1周圍是否發(fā)現(xiàn)障礙物的識(shí)別結(jié)果，并產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器人可以走到目標(biāo)點(diǎn)的路徑而不會(huì)撞到任何障礙物，其中所述目標(biāo)點(diǎn)以機(jī)器人的絕對(duì)坐標(biāo)系或以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系來表示。然后，路徑規(guī)劃確定部分SBL 360發(fā)出一個(gè)沿該路徑移動(dòng)的動(dòng)作命令。換句話說，路徑規(guī)劃確定部分SBL360基于輸入數(shù)據(jù)并根據(jù)環(huán)境來判斷機(jī)器人1可以執(zhí)行的動(dòng)作，并輸出動(dòng)作串(步驟S6)。
當(dāng)由用戶對(duì)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，可以這樣設(shè)置以使對(duì)機(jī)器人周圍是否存在障礙物的識(shí)別由網(wǎng)格占有率計(jì)算部分OG 330來給出，并且將由絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分LZ 350給出的機(jī)器人當(dāng)前位置提供給用戶，并響應(yīng)于用戶的輸入來發(fā)出動(dòng)作命令。
這樣，如果與只擁有一個(gè)地面環(huán)境地圖的情況相比，該實(shí)施例的機(jī)器人的動(dòng)作范圍可以被擴(kuò)寬，這是因?yàn)橥ㄟ^平面提取部分PLEX 320提取了包括地面的一組多個(gè)平面，繪制了示出多個(gè)平面的占有率的環(huán)境地圖并產(chǎn)生了基于與各平面相應(yīng)的這組多個(gè)環(huán)境地圖的路徑規(guī)劃。例如，在移動(dòng)路徑中包括走上一個(gè)或多個(gè)樓梯的區(qū)域，以使得機(jī)器人可以穿過這些區(qū)域。換句話說，當(dāng)機(jī)器人產(chǎn)生一個(gè)路徑規(guī)劃時(shí)，它就不僅參考一個(gè)對(duì)應(yīng)于它正在移動(dòng)的地面的環(huán)境地圖，還要參考對(duì)應(yīng)于與該地面平行的多個(gè)平面的環(huán)境地圖，以便能夠三維地掌握環(huán)境并規(guī)劃一個(gè)三維移動(dòng)路徑。
現(xiàn)在，將在下面更詳細(xì)地描述該實(shí)施例中的能提取互相平行的多個(gè)平面并準(zhǔn)備一個(gè)可行的路徑規(guī)劃的機(jī)器人。圖5是參與從提取多個(gè)平面到規(guī)劃機(jī)器人的移動(dòng)路徑的處理操作的功能單元的示意圖。在圖5中，示出一個(gè)環(huán)境識(shí)別部分，它包括多個(gè)適于從視差圖像或距離圖像中計(jì)算平面參數(shù)并提取多個(gè)平面的平面提取部分401，一個(gè)適于識(shí)別包括地面在內(nèi)的多個(gè)平面上的障礙物的障礙物識(shí)別部分402，一個(gè)環(huán)境地圖更新部分403，它適于基于障礙物識(shí)別部分402的識(shí)別結(jié)果繪制環(huán)境地圖(障礙物地圖)并更新當(dāng)前環(huán)境地圖，以及一個(gè)路徑規(guī)劃部分404，它適于基于這些環(huán)境地圖產(chǎn)生路徑規(guī)劃。注意到這些，雖然這些部分以圖5中的功能塊來示出，但上述處理操作按如圖2所示的一個(gè)對(duì)象接一個(gè)對(duì)象地進(jìn)行處理。
多個(gè)平面提取部分401和障礙物識(shí)別部分402接收齊次變換矩陣以及如圖6所示的從左眼圖像201L和右眼圖像201R獲得的相應(yīng)的視差圖像，并且接著如圖7所示的處理順序，檢測平面參數(shù)以識(shí)別任一障礙物。
為了檢測平面參數(shù)，首先多個(gè)平面檢測部分401接收齊次變換矩陣和相應(yīng)的視差圖像(步驟S31)。以立體視覺獲得的(立體照相機(jī))或通過范圍傳感器操作的視差圖像312(或距離圖像)，通過采用合適的校準(zhǔn)(calibration)能夠容易地轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)。換句話說，照相機(jī)坐標(biāo)的用于每個(gè)象素的三維位置數(shù)據(jù)(x，y，z)，利用吸收透鏡失真和來自視差圖像的立體匹配誤差而獲得的校準(zhǔn)參數(shù)，可產(chǎn)生為距離圖像(步驟S32)。每個(gè)三維數(shù)據(jù)都有特定的可靠性參數(shù)，它是基于可以是視差圖像或距離圖像的輸入圖像的可靠性而獲得的，并可以根據(jù)該可靠性參數(shù)選擇或不選擇該三維數(shù)據(jù)，以便挑選出輸入數(shù)據(jù)。
然后，可從所選的三維數(shù)據(jù)組中隨機(jī)地采樣數(shù)據(jù)并由哈夫變換假定平面。更具體地，當(dāng)法向矢量的方向是(θ，)并且到原點(diǎn)的距離是d時(shí)，計(jì)算出平面參數(shù)(θ，，d)并對(duì)投票(poll)空間(θ，Ψ，d)＝(θ，cosθ，d)進(jìn)行直接投票以推定(assume)一個(gè)平面。結(jié)果，在圖像中起支配作用的平面參數(shù)就被檢測出來(步驟S33)。
現(xiàn)在，將詳細(xì)描述步驟S33中檢測平面參數(shù)的方法。多個(gè)平面提取部分401不僅提取平面的平面參數(shù)，其中該平面例如是機(jī)器人的腿部接觸或在其上移動(dòng)的地面(以下被稱為參考平面)，而且還提取與參考平面平行的多個(gè)平面的平面參數(shù)。圖8是圖1的機(jī)器人檢測一個(gè)平面參數(shù)的操作流程圖。如前所述，對(duì)每個(gè)三維數(shù)據(jù)計(jì)算可靠性參數(shù)，并且將可靠性參數(shù)小于一個(gè)預(yù)定閾值的三維數(shù)據(jù)丟棄，以挑選出輸入數(shù)據(jù)。選出的一組三維數(shù)據(jù)(x，y，z)和伴隨著各數(shù)據(jù)的可靠性參數(shù)(可靠性r)被輸出(步驟S41)，并且這組三維數(shù)據(jù)被采樣以推定(assume)一個(gè)平面參數(shù)(步驟S42)。
用于采樣三維數(shù)據(jù)(x，y，z)的采樣方法包括(1)隨機(jī)采樣方法，(2)隨機(jī)地從全部三維數(shù)據(jù)中選擇一個(gè)參考點(diǎn)，然后從剩余數(shù)據(jù)中，對(duì)在參考點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)的或在三維空間中相對(duì)于該參考點(diǎn)具有充分小的距離的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的方法，以及(3)以多個(gè)分辨率級(jí)掃描三維數(shù)據(jù)，并形成互相接近的數(shù)據(jù)組(例如，在每一數(shù)據(jù)組中數(shù)據(jù)在三維空間中互相之間以充分小的距離分開)作為子集。
一組數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)在三維空間中互相之間以充分小的距離分開，可以為這樣的數(shù)據(jù)，即使得每個(gè)數(shù)據(jù)與參考點(diǎn)的距離在閾值dmin和另一閾值dmax之間。
如果假設(shè)從輸入數(shù)據(jù)或從另外的其它信息中發(fā)現(xiàn)起支配作用的一個(gè)平面并且該平面具有很大的面積，使用一種采樣整個(gè)圖像作為采樣的廣泛對(duì)象的技術(shù)是有效的。另一方面，當(dāng)要采樣的圖像包括小臺(tái)階時(shí)，對(duì)小面積的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的技術(shù)是有效的。
然后，從所提取的子集中計(jì)算平面參數(shù)。在如下描述的三個(gè)平面參數(shù)計(jì)算方法中選擇最合適的一個(gè)。
通過第一種參數(shù)計(jì)算方法，可以獲得平面α，該平面是由包括標(biāo)準(zhǔn)向量(θ，)的方向和距離坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離d的三個(gè)參數(shù)(θ，，d)所定義的，使用如直接解方法由不在一條直線上的三個(gè)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)計(jì)算而得。
第二種參數(shù)計(jì)算方法，是一種通過主要分量分析來估計(jì)平面參數(shù)的方法。通過這種方法，對(duì)通過劃分利用三維空間中緊密靠近的區(qū)域的合適的分辨率粒度(granularity)和合適的分辨率來對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行掃描得到的三維數(shù)據(jù)輸入而得的每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行主要分量分析，估計(jì)而得平面參數(shù)。
第三種參數(shù)計(jì)算方法，是一種采用最小平方方法的方法。例如，通過以合適的分辨率粒度和合適的分辨率掃描整個(gè)圖像而得的距離圖像，被分成小的矩形區(qū)域，并為三維空間中的緊密靠近的區(qū)域劃分所獲得的三維數(shù)據(jù)組。然后，通過使用最小平方方法計(jì)算平面參數(shù)。
其后，為一個(gè)參數(shù)平面投票所獲得的平面參數(shù)(步驟S43)。這時(shí)，由于用于定義一個(gè)平面的平面參數(shù)形成相對(duì)于原始三維直角坐標(biāo)空間的極坐標(biāo)，魯棒又非常精確的數(shù)據(jù)可通過設(shè)置一個(gè)投票(polling)空間而獲得，以使投票隙(slot)(網(wǎng)格)具有與原始相應(yīng)的空間相同的大小，并建立(θ，Ψ，d)＝(θ，cosθ，d)或(θ，Ψ，d)＝(2θsin(π/4-θ/2)cos，2sin(π/4-θ/2)sin，d)的關(guān)系。然后，可降低采樣的數(shù)量以實(shí)現(xiàn)高速處理。通常，選票(vote)的權(quán)與用于投票的權(quán)相同，因此為每個(gè)選票給定投票值1。然而，考慮到錯(cuò)誤的本質(zhì)，相對(duì)于噪聲的魯棒性可通過給選票加權(quán)來改善。例如，根據(jù)上述可靠性參數(shù)，用于計(jì)算確定投票對(duì)象的原始三維數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差偏離，或者當(dāng)原始三維數(shù)據(jù)的分布是投影在視線中心的球形平面上時(shí)所使用的誤差估計(jì)，選票的投票值可以等于0.5或2。
然后，判斷選票的總數(shù)是否超過一個(gè)閾值Nmax，或者是否超過閾值Nmax并且投票值的分布是否形成一個(gè)滿意度峰值(步驟S44)。當(dāng)在峰值位置的網(wǎng)格數(shù)據(jù)相對(duì)于選票的總數(shù)有一個(gè)等于或大于相的預(yù)定值的比例時(shí)，或者在峰值位置的網(wǎng)格的選票數(shù)或投票值(獲得的投票值)的總數(shù)等于或大于一個(gè)預(yù)定值時(shí)，滿意度峰值可能被獲得。另一方面，如果判斷出獲得了滿意度峰值，峰值位置或峰值附近位置的網(wǎng)格中的平面參數(shù)就被處理為加權(quán)的平均數(shù)。如果判斷出沒有獲得滿意度峰值，處理操作就回到步驟S42，在那里從三維數(shù)據(jù)組中提取數(shù)據(jù)子集并計(jì)算平面參數(shù)。
平面的參數(shù)可通過圖9所示的參數(shù)空間(θ，)(投票空間)直方圖來檢測。可以推定當(dāng)參數(shù)得到較差投票時(shí)那里存在著障礙物，反之，可以推定當(dāng)參數(shù)得到較好投票時(shí)那里是一個(gè)平面。
然后，執(zhí)行確定在峰值處和峰值附近的加權(quán)平均值的操作(步驟S45)。由于判斷加權(quán)平均值的操作，可更加準(zhǔn)確地獲得峰值的推定位置。這樣，可以推定具有粒度等級(jí)低于每個(gè)網(wǎng)格的代表參數(shù)的量化大小的參數(shù)。
然后，使用推定的參數(shù)值的初始值(θ0，，d0)來執(zhí)行疊加操作以推定更精確的平面參數(shù)(步驟S46)，其中推定的參數(shù)值是由確定加權(quán)平均值和三維坐標(biāo)的操作而獲得的。當(dāng)作為疊加結(jié)果的參數(shù)的收斂值的變化或當(dāng)疊加操作重復(fù)多于預(yù)定的次數(shù)時(shí)，疊加終止。然后，判斷結(jié)果的可靠性，以便輸出最后確定的平面參數(shù)(θ，，d)及其可靠性。
當(dāng)通過哈夫變換來推定初始參數(shù)值，如果實(shí)時(shí)地通過濾波器組(FBK)獲得三維數(shù)據(jù)的復(fù)用分辨率，就可能通過使用低分辨率的三維數(shù)據(jù)來加速處理操作。另一方面，可通過在疊加操作時(shí)使用高分辨率的三維數(shù)據(jù)提高精確度級(jí)別。換句話說，相當(dāng)接近推定平面的點(diǎn)作為采樣被提取出來，其中該推定平面是使用初始參數(shù)值而獲得的。
如上所述，在投票時(shí)，可以在峰值和峰值附近執(zhí)行判斷加權(quán)平均值的操作，并通過對(duì)選票進(jìn)行不同地加權(quán)來獲得推定的非?？煽康臄?shù)據(jù)以便區(qū)分投票的值，執(zhí)行操作以選擇一種適于計(jì)算伴隨著三維數(shù)據(jù)或平面參數(shù)的可靠性參數(shù)的方法，并執(zhí)行從投票值的分布中推定峰值的操作。然后，就可以采用平面參數(shù)作為用來定義一個(gè)平面的初始參數(shù)，以疊加操作來定義一個(gè)非?？煽康钠矫?。而且，通過計(jì)算平面的可靠性，使用伴隨著各三維數(shù)據(jù)的可靠性參數(shù)和疊加操作中的殘留誤差，并連同用于平面的數(shù)據(jù)一同輸出平面可靠性，有助于下游的處理操作，其中各三維數(shù)據(jù)用于計(jì)算最終定義的平面。這樣，通過使用對(duì)起支配作用的平面的參數(shù)進(jìn)行定義的概率方法來提取平面，其中起支配作用的平面的參數(shù)包括在三維數(shù)據(jù)中，并且該三維數(shù)據(jù)是通過對(duì)基于投票而推定的概率密度函數(shù)或直方圖進(jìn)行選擇而得的。然后，就有可能通過使用獲得的平面參數(shù)而知道從原始圖像中獲得的距離測量點(diǎn)距該平面的距離。應(yīng)該注意的是上面描述的是示意性的提取平面的方法，也可依照設(shè)備的精確度和性能及其他因素來選擇其他的平面提取方法來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
如早先所提出的，本實(shí)施例的多個(gè)平面檢測部分401同時(shí)提取包括地面在內(nèi)的多個(gè)平面。圖10是將由多個(gè)平面檢測部分401檢測出的平面參數(shù)(θ，)用作角度和偏移量的函數(shù)，以及由所檢測的平面參數(shù)指示的相應(yīng)平面而形成的直方圖示意圖。
參考圖10，在以上述方式投票而得的平面參數(shù)的直方圖中，如果地面PL1與峰值H1相應(yīng)，就有可能提取與地面PL1平行并分別與峰值H2、H3相應(yīng)的平面PL2、PL3。
然后，隨后將詳細(xì)描述的障礙物識(shí)別部分402將比參考平面高出一個(gè)預(yù)定閾值的圖像的任一部分識(shí)別為障礙物，其中該參考平面典型地是地面。然而，通過提取與參考平面平行的多個(gè)平面，就有可能將任一比地面高或低的平坦的區(qū)域識(shí)別為另外的平面。另外，就可能準(zhǔn)備一個(gè)包括每一平面的障礙物信息的環(huán)境地圖，其中平面被識(shí)別為另外的平面。然后，這種另外的平面可用作準(zhǔn)備移動(dòng)規(guī)化時(shí)的移動(dòng)路徑的候選，這將在下面給予詳細(xì)描述。
現(xiàn)在，回到圖7，照相機(jī)坐標(biāo)系的齊次變換矩陣被變換為圖11所示的機(jī)器人的腳底接觸地面坐標(biāo)系(步驟S34)。然后，計(jì)算由照相機(jī)坐標(biāo)系表示的接觸地面參數(shù)PL。然后，由于將步驟S33中從圖像中檢測的平面與步驟S34中檢測的腳底接觸地面PL相比較，從圖像的平面參數(shù)中選擇地面和多個(gè)與其平行的平面(步驟S35)。通過識(shí)別這種多個(gè)平面并保留用于每個(gè)平面的環(huán)境地圖，機(jī)器人能夠從一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到另一與第一區(qū)域有高度差的區(qū)域。換句話說，機(jī)器人可以上下樓梯。步驟S35所檢測的地面指示機(jī)器人當(dāng)前站立或移動(dòng)的平面。
然后，通過使用步驟S35中所選擇的平面參數(shù)，從原始距離圖像中選擇在每個(gè)平面上的一點(diǎn)(步驟S36)。這種操作通過下面的公式(1)和(2)并根據(jù)相應(yīng)平面的距離小于一個(gè)閾值Dth的情況來執(zhí)行。
d=|ax+by+c|a2+b2······(1)]]>d＜Dth......(2)在圖12中，當(dāng)閾值Dth為1cm時(shí)，在出自選擇的一組多個(gè)平面的地面上選擇出選擇測量點(diǎn)(以x表示)。在圖12中，黑點(diǎn)是那些判斷為不是平面的點(diǎn)。
這樣，不在步驟S36所選擇的平面上并包括不在地面上的點(diǎn)的那些點(diǎn)在步驟S37中被識(shí)別為障礙物。地面上的那些點(diǎn)(x，y)中的每個(gè)都用地面坐標(biāo)和高度z來表示。例如，如果這種點(diǎn)的高度z為z＜0，則該點(diǎn)位于地面以下。然后，機(jī)器人可以判斷它能在一個(gè)比該機(jī)器人的高度高的障礙物的下面通過，所以這個(gè)障礙物實(shí)際上不是一個(gè)障礙物。
圖13A是一個(gè)機(jī)器人的觀察視圖，圖13B是從機(jī)器人觀察視圖中提取的地面圖像。如果通過將地面圖像中的高度z降低到0(z＝0)來變換坐標(biāo)系，那么就可以如圖13C所示二維地表示地面和障礙物。
障礙物識(shí)別部分402可以穩(wěn)定地提取平面，這是因?yàn)樗远鄠€(gè)測量點(diǎn)來提取平面。另外，它可以通過比較從圖像獲得的候選平面與從機(jī)器人姿勢(shì)中獲得的平面參數(shù)，來選擇正確的平面作為地面。還有，它能選擇多個(gè)與該地面平行的平面。因此如下面將要更詳細(xì)描述的，如果存在與該地面平行的平面，機(jī)器人就將其判斷為可以移動(dòng)的區(qū)域。換句話說，機(jī)器人常規(guī)地只檢測地面并因此將表現(xiàn)出與地面存在一個(gè)高度差的任一區(qū)域判斷為它不可移動(dòng)的障礙物。相反，如果環(huán)境地圖表示機(jī)器人當(dāng)前站立的平面(地面)是可移動(dòng)的范圍而另一區(qū)域是不可移動(dòng)的區(qū)域，該實(shí)施例的機(jī)器人就通過將不可移動(dòng)的區(qū)域選擇為它能移動(dòng)的候選移動(dòng)路徑，來擴(kuò)寬其行走范圍。
機(jī)器人，或者其障礙物識(shí)別部分，實(shí)際上識(shí)別的不是障礙物而是地面和其他平面。換句話說，它不依靠障礙物的形狀和大小來識(shí)別障礙物。另外，以距離地面的距離來表示障礙物，因此能夠檢測小臺(tái)階和凹坑。還有，它能通過考慮機(jī)器人自身的大小來判斷是越過障礙物還是在障礙物下經(jīng)過。而且，障礙物最后在二維地面上表示出來，以便現(xiàn)有機(jī)器人所使用的路徑規(guī)劃技術(shù)能夠應(yīng)用到該機(jī)器人中，并且如果與使用三維表示的情況相比，這種規(guī)劃路徑的操作能夠以高速度來實(shí)施。
環(huán)境地圖更新部分403具有環(huán)境地圖，該環(huán)境地圖包括關(guān)于以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系的地圖信息和指示機(jī)器人在一個(gè)環(huán)境地圖中從預(yù)定的角方向轉(zhuǎn)過的角方向的方位信息，其中該以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系被劃分以形成具有預(yù)定大小網(wǎng)孔的網(wǎng)格，并且其中的角方向是X軸方向或Y軸方向。環(huán)境地圖分別與可以是地面的參考平面和多個(gè)與該地面平行的平面相對(duì)應(yīng)，這些平面由多個(gè)平面提取部分401提取并典型地具有4平米的大小。在每個(gè)地圖中，根據(jù)障礙物信息計(jì)算障礙物占有率，其中障礙物信息是障礙物識(shí)別部分402為每個(gè)網(wǎng)格的網(wǎng)(mesh)孔所輸入的，該網(wǎng)格例如具有4cm×4cm的預(yù)定大小。
當(dāng)機(jī)器人1移動(dòng)并且輸入測距D7時(shí)，環(huán)境地圖更新部分403更新環(huán)境地圖以及預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的方位信息，或者是它先前識(shí)別的環(huán)境地圖和方位取向信息，其中該方位取向信息作為機(jī)器人的方位(移動(dòng)的差角)和移動(dòng)距離(移動(dòng)的差量)的變化的函數(shù)。當(dāng)每個(gè)環(huán)境地圖被分成區(qū)域或預(yù)定的大小時(shí)，就可以這樣設(shè)置以便當(dāng)移動(dòng)的差量小于每個(gè)區(qū)域的預(yù)定大小時(shí)更新該環(huán)境地圖，而當(dāng)移動(dòng)量超過網(wǎng)格的每個(gè)區(qū)域的預(yù)定大小時(shí)更新該環(huán)境地圖。然后，通過更新環(huán)境地圖的操作就能降低計(jì)算和復(fù)制存儲(chǔ)器的成本。用來計(jì)算障礙物占有率的環(huán)境地圖的大小和網(wǎng)格的網(wǎng)孔大小可依照情況適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行修改，以便進(jìn)一步降低計(jì)算和復(fù)制存儲(chǔ)器的成本。
環(huán)境地圖更新部分403根據(jù)由障礙物識(shí)別部分402提供的障礙物信息而產(chǎn)生的環(huán)境地圖中的每個(gè)點(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)格的每個(gè)網(wǎng)孔的障礙物占有率，都可被分為三個(gè)種類(區(qū)域)，如圖14所示。
第一區(qū)域是存在著障礙物的區(qū)域AO(在圖14中以黑色表示，并在下文中將其稱為障礙物區(qū)域)。第二區(qū)域是自由空間(沒有障礙物存在的空間)中的區(qū)域AF(在圖14中以白色表示，并在下文中將其稱為自由空間區(qū)域)。第三區(qū)域是未觀測量(unsurveyed)區(qū)域AU(圖14中的陰影區(qū)域)，在其中沒有進(jìn)行觀測以對(duì)障礙物定位。
環(huán)境地圖更新部分403為每個(gè)平面繪制地圖，或根據(jù)由環(huán)境識(shí)別部分402識(shí)別出的障礙物信息來更新現(xiàn)有環(huán)境地圖。例如，當(dāng)如圖15A所示，機(jī)器人1位于一個(gè)它能識(shí)別的樓梯500的位置時(shí)，該機(jī)器人首先觀測一個(gè)預(yù)定的方向，該方向可以是目標(biāo)移動(dòng)的方向。結(jié)果，平面檢測部分401檢測地面PL1以及與地面PL1平行的臺(tái)階面PL2和PL3。然后，障礙物識(shí)別部分402在這三個(gè)平面PL1至PL3上獲取有關(guān)障礙物(如果有的話)的信息，并分別為平面PL1至PL3繪制環(huán)境地圖501至503，如圖15B所示，或者更新現(xiàn)有環(huán)境地圖。
在用于地面PL1的環(huán)境地圖501中，樓梯500位于比地面高出h1的高度的一個(gè)平面(臺(tái)階面)上，以及位于比地面高出h2的高度的另一平面(臺(tái)階面)上，所以被分類為障礙物區(qū)域AO。在用于平面PL2的環(huán)境地圖502中，臺(tái)階面PL3位于比臺(tái)階面PL2高出一個(gè)高度(h2-h1)的平面上，而地面PL1位于比臺(tái)階面PL2低h1的高度的平面上，所以臺(tái)階面PL2和PL3都被分類為障礙物區(qū)域AO。相似的，在用于臺(tái)階面PL3的環(huán)境地圖503中，地面PL1和臺(tái)階面PL2都比臺(tái)階面PL3低，所以他們都被分類為障礙物區(qū)域AO。
然后，路徑規(guī)劃部分404從來自障礙物識(shí)別部分402的障礙物信息中，獲得機(jī)器人1周圍是否存在障礙物的識(shí)別結(jié)果。它還從圖2所示的絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算部分LZ 350中獲得機(jī)器人1的當(dāng)前位置的絕對(duì)坐標(biāo)。然后，它產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器人可移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)而不會(huì)碰到任何障礙物的路徑，并發(fā)出沿該路徑移動(dòng)的命令，其中該目標(biāo)點(diǎn)是以絕對(duì)坐標(biāo)系或以機(jī)器人為中心的坐標(biāo)系來表示的。簡而言之，它響應(yīng)于從輸入數(shù)據(jù)識(shí)別的環(huán)境來確定機(jī)器人1要采取的動(dòng)作，并輸出動(dòng)作串。
現(xiàn)在，將參考圖16的流程圖描述路徑規(guī)劃部分404使用的路徑規(guī)劃算法。
首先，如圖14所示，機(jī)器人眼睛的方向朝向目標(biāo)方向，以繪制一個(gè)障礙物地圖(環(huán)境地圖)(步驟S51)，該障礙物地圖是連接目標(biāo)位置PX當(dāng)前位置PO的直線路徑周圍的周長。然后，觀察距離圖像并測量該距離，以繪制一個(gè)環(huán)境地圖或更新現(xiàn)有的相應(yīng)的環(huán)境地圖(步驟S52)。
然后，基于所準(zhǔn)備的環(huán)境地圖規(guī)劃一個(gè)路徑(步驟S53)。如果機(jī)器人只有地面的環(huán)境地圖，那么將假設(shè)未觀測的區(qū)域AU和自由空間區(qū)域AF是可移動(dòng)的區(qū)域，并據(jù)此來規(guī)劃一個(gè)路徑。然而，該實(shí)施例的機(jī)器人檢測多個(gè)平面并為其中的每個(gè)平面繪制環(huán)境地圖。然后，機(jī)器人保留最近更新的環(huán)境地圖。例如，如果機(jī)器人當(dāng)前正在移動(dòng)的平面是地面，則所有高于地面的區(qū)域都被分類為障礙物區(qū)域AO。然而，當(dāng)機(jī)器人從當(dāng)前位置PO前進(jìn)到路徑上的一個(gè)位置P1時(shí)，它能判斷障礙物區(qū)域AU1是否構(gòu)成一個(gè)障礙物，或者障礙物區(qū)域AU1是否被檢測為其他平面。
然后，如果在地面的環(huán)境地圖中，該區(qū)域是一個(gè)障礙物區(qū)域AU1但卻被檢測為其他平面，機(jī)器人就參考與其他平面相應(yīng)的環(huán)境地圖，如果區(qū)域AU1是自由空間區(qū)域AF或未檢測區(qū)域AU，就將該區(qū)域AU1認(rèn)為是可移動(dòng)區(qū)域。如果機(jī)器人向被認(rèn)為是可移動(dòng)區(qū)域的區(qū)域AO1移動(dòng)，就遵循一個(gè)避開撞到機(jī)器人自身的區(qū)域的路徑規(guī)劃。更具體地，機(jī)器人計(jì)算所有可移動(dòng)區(qū)域的移動(dòng)成本，并能規(guī)劃一個(gè)最小化成本的路徑。
圖17到圖19示出機(jī)器人按時(shí)間順序所保留的環(huán)境地圖。如圖17到圖19所示，隨著機(jī)器人的移動(dòng)可獲得新的障礙物信息，以便更新環(huán)境地圖并定義新的移動(dòng)路徑。如早先所提及的，每個(gè)環(huán)境地圖典型地覆蓋2平方米的區(qū)域，機(jī)器人處于這一區(qū)域的中心并且該區(qū)域被分為100×100網(wǎng)孔的網(wǎng)格，以便計(jì)算每個(gè)網(wǎng)孔的障礙物占有率。機(jī)器人1可以基于環(huán)境地圖來規(guī)劃一個(gè)路徑，其中該路徑可以如圖17到圖19的410到412所指示的時(shí)間進(jìn)行修改。
在圖14中，雖然障礙物區(qū)域AO由黑色來表示而自由空間區(qū)域AF由白色來表示的同時(shí)，但周圍陰影區(qū)域是未觀測區(qū)域AU，其他區(qū)域是測量區(qū)域，如圖17到19所示。換句話說，白色區(qū)域位于一個(gè)平面上并表示有非常多的自由空間區(qū)域AF可使機(jī)器人自由移動(dòng)。區(qū)域越黑，該區(qū)域的障礙物占有率越高。簡而言之，顏色的層次表示障礙物占有率。這樣設(shè)置以使當(dāng)一個(gè)區(qū)域的亮度低于一個(gè)預(yù)定水平時(shí)就將該區(qū)域認(rèn)為是自由空間區(qū)域AF，并將所有其他的區(qū)域認(rèn)為是障礙物區(qū)域AO。可選擇地，可以這樣設(shè)置以便考慮灰度(Sradanon)來計(jì)算移動(dòng)成本。
當(dāng)規(guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑時(shí)，機(jī)器人1可計(jì)算在它從當(dāng)前位置開始所經(jīng)過的環(huán)境地圖中的網(wǎng)格的每個(gè)網(wǎng)孔所花費(fèi)的移動(dòng)成本，并選擇最小化該成本的網(wǎng)格的網(wǎng)孔。
為了路徑規(guī)劃，A*搜索技術(shù)可以用于最小化整個(gè)路徑的成本。這種A*搜索技術(shù)采用評(píng)估函數(shù)f，，并且是最佳首選搜索技術(shù)，其中的h函數(shù)是許可的。優(yōu)選地，有效點(diǎn)用于任何試探(heuristic)函數(shù)。
雖然機(jī)器人自己判斷每個(gè)是否可以在其上移動(dòng)的區(qū)域，但這里假設(shè)選擇最佳參數(shù)以使機(jī)器人不選擇一個(gè)自由空間區(qū)域AF，其中該自由空間區(qū)域AF是一個(gè)高出機(jī)器人可邁上的限制值一個(gè)高度的平面，也不選擇一個(gè)自由空間區(qū)域AF，其中該自由空間區(qū)域AF是一個(gè)小于限制值一個(gè)高度的平面但具有一個(gè)機(jī)器人不能在其上移動(dòng)的較小面積。如果一個(gè)區(qū)域被認(rèn)為是真正的障礙物區(qū)域AO，因?yàn)樗谒械钠渌h(huán)境地圖中既不是自由空間區(qū)域AF也不是未檢測區(qū)域AU，那么它將不能成為用于機(jī)器人的路徑的候選，因?yàn)榻?jīng)過該區(qū)域的移動(dòng)成本是非常大的。
步驟S53中典型地通過采用A*搜索技術(shù)而產(chǎn)生的路徑，在步驟S54中被檢驗(yàn)，看看該機(jī)器人是否可以真的遵循該路徑。然后，如果它不是一個(gè)機(jī)器人可以遵循以避開障礙物的路徑(“否”)，路徑規(guī)劃部分404就判斷出如果繼續(xù)測量也不能規(guī)劃一個(gè)可移動(dòng)的路徑，并終止路徑規(guī)劃操作，然后將這些告訴機(jī)器人(步驟S55)。
如果在步驟S53中可以采用A*搜索技術(shù)規(guī)劃一個(gè)可移動(dòng)路徑(“是”)，處理操作就前進(jìn)到步驟S56，在那里檢驗(yàn)是否在輸出路徑上發(fā)現(xiàn)任一未觀測的區(qū)域。如果在步驟S56中沒有在路徑上發(fā)現(xiàn)未觀測的區(qū)域(“否”)，那么在步驟S57中，至目標(biāo)位置的移動(dòng)路徑就作為規(guī)劃好的路徑輸出。另一方面，如果在步驟S56中在路徑上發(fā)現(xiàn)未觀測的區(qū)域(“是”)，處理操作就前進(jìn)到步驟S58，在那里計(jì)算從當(dāng)前位置到該未觀測區(qū)域的步數(shù)，并檢驗(yàn)所計(jì)算的步數(shù)是否超過一個(gè)預(yù)定的閾值。
如果在步驟S58中發(fā)現(xiàn)步數(shù)超過該閾值(“是”)，則處理操作前進(jìn)到步驟S59，以輸出到未觀測區(qū)域的可移動(dòng)路徑并返回到步驟S51。另一方面，如果，在步驟S58中發(fā)現(xiàn)到未觀測區(qū)域的步數(shù)沒有超過閾值(“否”)，則通過控制機(jī)器人眼睛的方向來觀測該未觀測區(qū)域，以便測量到該未觀測區(qū)域的距離(步驟S60)并更新障礙物地圖。
當(dāng)存在著與地面平行的平面時(shí)，采用上述路徑規(guī)劃算法的路徑規(guī)劃部分404即使當(dāng)?shù)孛娴沫h(huán)境地圖上的一個(gè)區(qū)域既不是未觀測區(qū)域AU也不是自由空間區(qū)域AF而是障礙物區(qū)域AO時(shí)，也可以判斷它是否是機(jī)器人可移動(dòng)的區(qū)域。這樣，與只有一個(gè)地面的環(huán)境地圖的情況相比，就能顯著擴(kuò)寬機(jī)器人可移動(dòng)的路徑的范圍。另外，當(dāng)這樣設(shè)置以使機(jī)器人只觀測在輸出路徑上發(fā)現(xiàn)的未觀測區(qū)域AU時(shí)，就可以在短時(shí)間內(nèi)有效地產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)路徑規(guī)劃，因?yàn)椴恍枰獔?zhí)行觀阻測操作以及距離圖像計(jì)算操作，它們對(duì)于移動(dòng)到目標(biāo)位置來說是不必要的。
雖然例如地面的參考平面被提取為第一平面，然后多個(gè)實(shí)質(zhì)上與該參考平面平行的平面在上面的描述中被提取，但可以這樣設(shè)置以便使傾斜的平面例如斜坡路也被提取出來，如果它們相對(duì)于參考平面的傾斜度較小并且機(jī)器人可以在其移動(dòng)。然后，可以獲得它們的障礙物信息，以便準(zhǔn)備環(huán)境地圖并考慮到這些情況來更新環(huán)境地圖。
現(xiàn)在，將基于按上述方法計(jì)算的成本描述適于上下樓梯的兩腳行走型機(jī)器人。圖20是這種機(jī)器人移動(dòng)到一個(gè)樓梯上的示意圖，圖21示出了用于圖20的移動(dòng)到樓梯上的機(jī)器人的環(huán)境地圖。在下面的說明中，機(jī)器人當(dāng)前正移動(dòng)的平面(機(jī)器人的至少一只腳所在的平面；步行平面)被選擇為參考平面PL。假設(shè)臺(tái)階平面PL1到PL4形成在地面PL0的上部，且它們的高度分別是h1至h4(h1＜h2＜h3＜h4)。
還假設(shè)機(jī)器人1正在參考平面PL＝PL0上，并且正要從地面PL0經(jīng)由臺(tái)階平面PL1到PL3開始上臺(tái)階。首先，機(jī)器人1的平面檢測部分401注意到地面PL0的周圍情況并檢測地面PL0。然后，如果存在平行于地面PL0的平面，就檢測這些平面。此時(shí)，雖然地面檢測部分401提取所有在識(shí)別范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)并平行于地面PL0的平面，但可以這樣設(shè)置以使地面檢測部分401提取距離地面PL0的距離最小和第二小的兩個(gè)平面，以便限制機(jī)器人需要存儲(chǔ)的環(huán)境地圖的數(shù)量，因?yàn)闄C(jī)器人的存儲(chǔ)器容量是有限的。在圖20的實(shí)例中，地面檢測部分401檢測從地面PL0觀測各的高度分別為h1和h2的臺(tái)階平面PL1和PL2。結(jié)果，就能減少算法操作的量。另外，與地面PL0平行但對(duì)于機(jī)器人攀爬來說高度又太大的平面將不會(huì)被提取。
然后，障礙物識(shí)別部分402在提取平面PL0至PL2上識(shí)別障礙物如果有的活了，并基于由環(huán)境地圖更新部分403所識(shí)別的障礙物信息來計(jì)算每個(gè)平面上的障礙物的網(wǎng)格占有率。然后，如圖14那樣為平面PL0至PL2繪制環(huán)境地圖。更具體地，繪制圖21所示的環(huán)境地圖511至513。
然后，機(jī)器人1在地面PL0上移動(dòng)，首先基于地面PL0的環(huán)境地圖511來準(zhǔn)備一個(gè)路徑規(guī)劃，如圖21所示。雖然臺(tái)階平面PL1和其它與地面PL0具有高度差的臺(tái)階平面在環(huán)境地圖511中被分類為障礙物區(qū)域AO，但環(huán)境地圖511中的障礙物區(qū)域AO在臺(tái)階平面PL1的環(huán)境地圖512中是平面PL1的一部分，并被識(shí)別為自由空間區(qū)域AF。機(jī)器人1通過參考作為其它平面所檢測的臺(tái)階平面PL1的環(huán)境地圖512，來判斷它是否可以移動(dòng)到臺(tái)階平面PL1上，其中該臺(tái)階平面PL1在環(huán)境地圖511中被認(rèn)為是障礙物區(qū)域AO。然后，如上所述，機(jī)器人計(jì)算從其當(dāng)前位于的區(qū)域(網(wǎng)格)移動(dòng)上相鄰區(qū)域(網(wǎng)格)的成本。如果只使用地面PL0的環(huán)境地圖，在環(huán)境地圖512中被認(rèn)為是自由空間區(qū)域AF的區(qū)域?qū)⒈徽J(rèn)為是障礙物區(qū)域AO，致使移動(dòng)到這些區(qū)域的成本變得非常高，并且機(jī)器人1將會(huì)判斷它不能移動(dòng)上那里。然而，當(dāng)三維地保留環(huán)境地圖時(shí)，將降低移動(dòng)到這些區(qū)域的成本，并且這些環(huán)境地圖也可以為移動(dòng)路徑提供候選。
如果判斷為機(jī)器人1可以移動(dòng)上臺(tái)階平面PL1，就從障礙物識(shí)別部分402接收有關(guān)臺(tái)階平面PL1距地面PL0高度為h1的信息，并從環(huán)境地圖512中判斷臺(tái)階平面PL1是否有一個(gè)足夠大的表面積可以使機(jī)器人1移動(dòng)到那里。然后，機(jī)器人1基于這些信息判斷它是否能移動(dòng)上臺(tái)階平面PL1。雖然高于地面PL0的臺(tái)階平面PL1和PL2以上述方式被提取，但可以這樣設(shè)置以使機(jī)器人1也提取低于參考平面PL的平面，并計(jì)算移動(dòng)上或移動(dòng)下的成本。當(dāng)從一個(gè)平面移動(dòng)到另一平面的每單位距離的移動(dòng)成本，與在同一平面移動(dòng)的每單位距離的移動(dòng)成本是不同的。當(dāng)參考平面PL的環(huán)境地圖511中的障礙物區(qū)域AO在其他平面的環(huán)境地圖中也是障礙物區(qū)域AO時(shí)，如果當(dāng)機(jī)器人只保留一個(gè)環(huán)境地圖，那么在這種區(qū)域上移動(dòng)的成本就被認(rèn)定是較高的，機(jī)器人就會(huì)判斷它不可能在那里移動(dòng)。
如果機(jī)器人1判斷它能移動(dòng)到臺(tái)階平面PL1并選擇臺(tái)階平面PL1作為移動(dòng)路徑，那么它就真的移動(dòng)到臺(tái)階平面PL1。如果機(jī)器人1邁上樓梯，機(jī)器人1的至少一只腳所在的參考平面就換為臺(tái)階平面PL1。在臺(tái)階平面PL1上，機(jī)器人1再次提取參考平面PL以及相對(duì)于參考平面PL來說高度較小的兩個(gè)平面。
當(dāng)參考平面L＝臺(tái)階平面PL1，就提取臺(tái)階平面PL1、地面PL0和臺(tái)階平面PL2，以便能使用在地面PL0上繪制的環(huán)境地圖。然而，如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)新障礙物，就更新環(huán)境地圖511至513。
這樣，通過重復(fù)上述處理操作直到臺(tái)階平面PL4，機(jī)器人1能夠從臺(tái)階平面PL1開始一步步爬上樓梯。雖然從參考平面觀察到的高度相對(duì)較小的兩個(gè)平面(臺(tái)階平面)在上述描述中被選擇出來，其中這兩個(gè)平面是機(jī)器人1判斷能夠在其上移動(dòng)的平面，但每當(dāng)機(jī)器人1上或下一個(gè)臺(tái)階時(shí)就改變由該機(jī)器人1選擇的兩個(gè)平面。換句話說，每改變參考平面，機(jī)器人就提取不同的其它平面。這一點(diǎn)將參考下面描述的平面跟蹤。
這樣，攀爬到臺(tái)階平面PL3的機(jī)器人1的環(huán)境地圖更新部分403產(chǎn)生一組用于地面PL0到臺(tái)階平面PL4的環(huán)境地圖510，如圖20所示。在該實(shí)例中，雖然機(jī)器人提取參考平面和其它兩個(gè)從參考平面觀察到的高度相對(duì)較小的平面，并準(zhǔn)備它們的環(huán)境地圖，但可以這樣安排以使，當(dāng)機(jī)器人1能夠移動(dòng)到的多于兩個(gè)的平面被檢測時(shí)，這兩個(gè)平面可以被提取并準(zhǔn)備它們的環(huán)境地圖。
由于環(huán)境地圖被三維地保留，就可以不僅計(jì)算同一平面上的移動(dòng)成本，還可以計(jì)算從一個(gè)平面到另一個(gè)平面的移動(dòng)成本，以便通過估計(jì)成本來選擇到目標(biāo)位置成本最小的路徑。
現(xiàn)在，將描述機(jī)器人1從一個(gè)平面移動(dòng)到另一個(gè)平面的另一實(shí)施例。圖22A和22B示意性地示出了機(jī)器人從一個(gè)平面移動(dòng)到另一個(gè)平面的另一實(shí)例。圖22A示出了機(jī)器人從一個(gè)房間一步步移動(dòng)到另一個(gè)房間，圖22B示出了各房間的環(huán)境地圖。在該實(shí)例中，假設(shè)房間RA直接連到房間RB，房間RB的地面PLB比房間RA的地面PLA高。
當(dāng)機(jī)器人1在房間RA移動(dòng)時(shí)，房間RA的地面PLA被選擇為當(dāng)前參考平面，并繪制如圖22B所示的環(huán)境地圖521。由于房間RB的地面PLB比房間RA的地面PLA高，房間RB的地面PLB就被認(rèn)為是障礙物區(qū)域AO。然后，當(dāng)房間RB進(jìn)入機(jī)器人1的可視區(qū)域時(shí)，由于房間RB的地面PLB是與房間RA的地面PLA平行的，就提取該地面PLB并為其繪制環(huán)境地圖522。
當(dāng)為房間RB的地面PLB繪制環(huán)境地圖522時(shí)，在地面PLA的環(huán)境地圖521中被認(rèn)為是障礙物區(qū)域AO并計(jì)算出具有高成本的地面PLB，在環(huán)境地圖522中被認(rèn)為是機(jī)器人1可以移動(dòng)的自由空間區(qū)域AF。然后，降低其移動(dòng)成本，并產(chǎn)生移動(dòng)到房間RB的新的移動(dòng)路徑。
這樣，機(jī)器人1在只擁有一個(gè)環(huán)境地圖521時(shí)不能只在房間RA中移動(dòng)，而由于自動(dòng)識(shí)別了與地面PLA平行的地面PLB并繪制了環(huán)境地圖522，就使機(jī)器人1獨(dú)立地從地面PLA移動(dòng)到地面PLB，擴(kuò)寬了機(jī)器人1可以移動(dòng)的區(qū)域。
現(xiàn)在，將描述適于在這種環(huán)境中提取多個(gè)平面的兩腳行走型機(jī)器人，三維地識(shí)別環(huán)境并執(zhí)行一種平面跟蹤操作以遵循一個(gè)路徑規(guī)劃。人形機(jī)器人是一種能夠在日常生活環(huán)境或其它環(huán)境的各個(gè)方面支持人類動(dòng)作的實(shí)用機(jī)器人。娛樂機(jī)器人不僅能夠根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)(惱怒、悲傷、喜悅、愉快等等)來行動(dòng)，還能夠產(chǎn)生人類的基本動(dòng)作。
參考圖23，機(jī)器人1包括一個(gè)軀干單元2，頭單元3在預(yù)定位置與該軀干單元2連接。同時(shí)，一對(duì)手臂單元4R/L和一對(duì)腿單元5R/L在左右兩側(cè)連接(R和L是表示“左”和“右”前綴)。
圖24示意性地示出機(jī)器人1每個(gè)關(guān)節(jié)的自由度。支撐頭單元3的頸關(guān)節(jié)具有由頸關(guān)節(jié)偏航軸101、頸關(guān)節(jié)俯仰軸102和頸關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸103實(shí)現(xiàn)的三個(gè)自由度。
每個(gè)手臂單元4R/L都有一個(gè)肩關(guān)節(jié)俯仰軸107、肩關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸108、上臂偏航軸109、肘關(guān)節(jié)俯仰軸110、前臂偏航軸111、腕關(guān)節(jié)俯仰軸112、腕關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸113和手部114。手部114實(shí)際上是多關(guān)節(jié)/多自由度結(jié)構(gòu)并包括多個(gè)手指。然而，由于手部114的動(dòng)作只在小程度內(nèi)參與并影響機(jī)器人1的姿態(tài)控制和行走控制，因此手部114的自由度在這里的說明中被假設(shè)為零。因此，每個(gè)手臂單元都有七個(gè)自由度。
軀干單元2具有由軀干俯仰軸104、軀干滾動(dòng)軸105和軀干偏航軸106實(shí)現(xiàn)的三個(gè)自由度。
每個(gè)腿單元5R/L都具有臀關(guān)節(jié)偏航軸115、臀關(guān)節(jié)俯仰軸116、臀關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸117、膝關(guān)節(jié)俯仰軸118、踝關(guān)節(jié)俯仰軸119、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸120和腳部121。在這里的說明中，臀關(guān)節(jié)俯仰軸116和臀關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸117的交點(diǎn)定義了機(jī)器人1的臀關(guān)節(jié)的位置。雖然腳部121實(shí)際上是一種包括具有多關(guān)節(jié)/多自由度的腳底的結(jié)構(gòu)，但機(jī)器人1的腳底被定義為自由度等于零。因此，每個(gè)腿單元都有六個(gè)自由度。
概括而言，整個(gè)機(jī)器人1具有總數(shù)為3+7×2+3+6×2＝32個(gè)自由度。然而，娛樂機(jī)器人1的自由度被限制為32。自由度的數(shù)量以及關(guān)節(jié)的數(shù)量可依照需要來增減，以滿足設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備包括說明書中描述的內(nèi)容的機(jī)器人的需要。
如上所指出的，機(jī)器人1的每個(gè)自由度都由一個(gè)致動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人的致動(dòng)器優(yōu)選地小且輕型，這對(duì)使機(jī)器人看起來像活動(dòng)的人且沒有不自然的腫大是必要的，并且對(duì)以兩腳移動(dòng)的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的姿態(tài)進(jìn)行控制來說是必要的。
圖25示意性地示出了機(jī)器人1的控制系統(tǒng)的配置。參考圖25，機(jī)器人1包括軀干單元2、頭單元3、一對(duì)手臂單元4R/L和一對(duì)腿單元5R/L，連同控制這些單元的適應(yīng)性并協(xié)調(diào)這些單元的動(dòng)作的控制單元10，使得機(jī)器人1像一個(gè)人體，以便使機(jī)器人1自然地平穩(wěn)行動(dòng)。
機(jī)器人1的整個(gè)動(dòng)作由控制單元10進(jìn)行綜合控制?？刂茊卧?0包括一個(gè)含有CPU(中央處理單元)、DRAM、閃速ROM和其它主要電路元件(未示出)的主控制部分11，以及含有用于在供電電路和機(jī)器人1的元件之間交換數(shù)據(jù)和命令的接口(未示出)的外圍電路部分12。
當(dāng)實(shí)施本發(fā)明時(shí)，控制單元10安裝的位置不受任何特定限制的約束。更具體地，雖然它安裝在圖25所示的軀干單元2中，但它也可以裝備在頭單元3中。還可以，將控制單元10設(shè)置在機(jī)器人1的體外，使其以有線或無線的通信線路與機(jī)器人1進(jìn)行通信。
圖24所示的機(jī)器人1的每個(gè)關(guān)節(jié)的自由度將由相應(yīng)的致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。更具體地，頭單元3的頸關(guān)節(jié)偏航軸101、頸關(guān)節(jié)俯仰軸102和頸關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸103分別具有頸關(guān)節(jié)偏航軸致動(dòng)器A2、頸關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A3和頸關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸致動(dòng)器A4。
另外，用于拾取周圍的外部圖像的CCD(電荷耦合器件)攝影機(jī)，連同用于測量機(jī)器人到一個(gè)位于該機(jī)器人前方的物體的距離的距離傳感器，用于收集外部聲音的麥克風(fēng)，用于輸出聲音的揚(yáng)聲器以及用于檢測壓力的壓力傳感器一起，設(shè)置在頭單元3中，其中壓力是由用戶發(fā)出的例如“撫摸”或“擊打”等物理動(dòng)作而產(chǎn)生的。
軀干單元2的軀干俯仰軸104、軀干滾動(dòng)軸105、軀干偏航軸106分別具有軀干俯仰軸致動(dòng)器A5、軀干滾動(dòng)軸致動(dòng)器A6和軀干偏航軸致動(dòng)器A7。軀干單元2還具有作為電源來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人1移動(dòng)的電池。該電池是由不可充電/可充電電池構(gòu)成。
手臂單元4R/L分別被分為上臂單元41R/L、肘關(guān)節(jié)單元42R/L和前臂單元43R/L。在每個(gè)手臂單元4R/L中，肩關(guān)節(jié)俯仰軸107、肩關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸108、上臂偏航軸109、肘關(guān)節(jié)俯仰軸110、前臂偏航軸111、腕關(guān)節(jié)俯仰軸112和腕關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸113分別具有肩關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A8、肩關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸致動(dòng)器A9、上臂偏航軸致動(dòng)器A10、肘關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A11、前臂偏航軸致動(dòng)器A12、腕關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A13和腕關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸致動(dòng)器A14。
腿單元5R/L分別被分為大腿單元51R/L、膝單元52R/L和脛骨單元53R/L。在每個(gè)腿單元5R/L中，臀關(guān)節(jié)偏航軸115、臀關(guān)節(jié)俯仰軸116、臀關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸117、膝關(guān)節(jié)俯仰軸118、踝關(guān)節(jié)俯仰軸119和踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸120分別具有臀關(guān)節(jié)偏航軸致動(dòng)器A16、臀關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A17、臀關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸致動(dòng)器A18、膝關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A19、踝關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)器A20、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)軸致動(dòng)器A21。優(yōu)選地，用于關(guān)節(jié)的致動(dòng)器A2，A3...中的每個(gè)都以小AC伺服致動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)，其中該伺服致動(dòng)器直接由齒輪驅(qū)動(dòng)，其伺服控制系統(tǒng)以單一芯片來實(shí)現(xiàn)并且裝備在致動(dòng)器的電動(dòng)機(jī)單元中。
軀干單元2、頭單元3、手臂單元4R/L和腿單元5R/L的致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)控制部分分別具有輔助的控制部分20、21、22R/L和23R/L。另外，腿單元5R/L分別具有觸地確認(rèn)傳感器30R/L，用于檢測機(jī)器人的任一只腳的腳底或者兩只腳的腳底是否在地面上。還有，用于感測機(jī)器人姿態(tài)的姿態(tài)傳感器31設(shè)置在軀干單元2中。
每個(gè)觸地確認(rèn)傳感器30R/L包括接近度傳感器或設(shè)置在腳底的微開關(guān)。通過組合加速度傳感器和陀螺傳感器來形成姿態(tài)傳感器31。
可以基于觸地確認(rèn)傳感器30R/L的輸出，判斷在機(jī)器人行走或跑步的動(dòng)作中，左右腿中的每一條腿當(dāng)前是站在地面上還是懸在空中。另外，可以基于姿態(tài)傳感器31的輸出檢測機(jī)器人的軀干部分的傾斜度和姿勢(shì)。
主控制部分11可以根據(jù)傳感器30R/L、31的輸出，動(dòng)態(tài)地改變控制對(duì)象的姿態(tài)。更具體地，主控制部分11自適應(yīng)地控制輔助控制部分20、21、22R/L、23R/L，以協(xié)調(diào)的方式產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)機(jī)器人1的手臂、軀干和腿的正常移動(dòng)模式。
通過定義每條腿的移動(dòng)、ZMP(零力矩點(diǎn))軌跡、軀干的移動(dòng)、每條手臂的移動(dòng)和腰的高度，同時(shí)將符合各定義的用于指示移動(dòng)的命令傳送到輔助控制部分20、21、22R/L、23R/L，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人1的正常移動(dòng)。然后，輔助控制部分20、21...對(duì)從主控制部分11接收的命令進(jìn)行解釋并分別向致動(dòng)器A2、A3...輸出控制信號(hào)。這里出現(xiàn)的“ZMP”一詞指的是由于地面對(duì)行走的機(jī)器人施加的反作用力產(chǎn)生的力矩降為零的地面上的一點(diǎn)。這里出現(xiàn)的“ZMP軌跡”一詞指的是在機(jī)器人1行走的同時(shí)ZMP移動(dòng)的軌跡。ZMP的概念及其應(yīng)用用于判斷行走的機(jī)器人的穩(wěn)定性在Miomir Vukobratovic的“LEGGED LOCOMOTIONROBOTS”(Ichiro Kato et al.，“Walking Robot and Artificial Feet”(NikkanKogyo Shinbun))中給出了描述。
如上所述，在機(jī)器人1中，輔助控制部分20、21...對(duì)從主控制部分11接收的命令進(jìn)行解釋，并向致動(dòng)器A2、A3...輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)以控制驅(qū)動(dòng)各單元的操作。結(jié)果，機(jī)器人1可穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換目標(biāo)姿態(tài)安在并以穩(wěn)定的姿態(tài)行走。
機(jī)器人1的控制單元10如上所述控制機(jī)器人的姿態(tài)，并綜合處理來自加速度傳感器、接觸傳感器和觸地確認(rèn)傳感器的信息，來自CCD攝影機(jī)的圖像信息和來自麥克風(fēng)的聲音信息。在控制單元10中，主控制單元11通過相應(yīng)的集線器(未示出)連接到包括加速傳感器、陀螺傳感器、接觸傳感器、距離傳感器、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器、致動(dòng)器、CCD攝影機(jī)和電池的各種傳感器中。
主控制部分11通過各內(nèi)部接口，順序地取得來自傳感器的傳感器數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和聲音數(shù)據(jù)，并將它們存儲(chǔ)在DRAM的預(yù)定位置中。另外，主控制部分11順序地取得來自電池的關(guān)于電池剩余電量的電池剩余電量數(shù)據(jù)，并將它們存儲(chǔ)在DRAM的預(yù)定位置中。當(dāng)中控制部分11控制機(jī)器人1的活動(dòng)時(shí)，就使用存儲(chǔ)在DRAM中的傳感器數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)和電池剩余電量數(shù)據(jù)。
在給機(jī)器人1供電的機(jī)器人1的操作初始階段，主控制部分11讀出控制程序并將其存儲(chǔ)在DRAM中。而且，主控制部分11基于由主控制部分11以上述方式順序地存儲(chǔ)在DRAM中的傳感器數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)和電池剩余電量數(shù)據(jù)，判斷機(jī)器人自己及它周圍的狀況，以及是否存在著來自用戶的給予機(jī)器人的一條指令或另一動(dòng)作。
還有，主控制部分11基于存儲(chǔ)在DRAM中的控制程序并根據(jù)機(jī)器人自己的狀況來確定機(jī)器人的行為。同時(shí)，主控制部分11基于確定結(jié)果，通過驅(qū)動(dòng)相關(guān)的致動(dòng)器而使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作，包括所謂的“作手勢(shì)”和“揮手”。
這樣，機(jī)器人1能基于控制程序判斷自己及其周圍的狀況，并響應(yīng)于由用戶給出的指令和作出的動(dòng)作，獨(dú)立地行動(dòng)。
不需要指出本發(fā)明決不限制于上述實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)可以各種方式進(jìn)行修改或改變。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)境識(shí)別設(shè)備，由處在包括一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中的行走型機(jī)器人使用以識(shí)別該環(huán)境，該設(shè)備包括平面檢測裝置，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測平面；障礙物識(shí)別裝置，用于識(shí)別由該平面檢測裝置檢測的平面上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新裝置，用于根據(jù)由障礙物識(shí)別裝置所識(shí)別的障礙物的信息來繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖；其中該平面檢測裝置適于檢測一組平面，該組平面中包括一個(gè)用作參考的參考平面以及一個(gè)或多個(gè)基本上與所述參考平面平行的其他平面；該環(huán)境地圖更新裝置適于為該組平面中具有被所述障礙物識(shí)別裝置識(shí)別出的障礙物的平面繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中參考平面是地面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中參考平面是機(jī)器人正在其上移動(dòng)的平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中每個(gè)平面都有一個(gè)允許機(jī)器人在其上移動(dòng)的表面區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中除了參考平面之外的其它平面是距所述參考平面的高度差不大于一個(gè)預(yù)定值的平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中除了參考平面之外的其它平面包括在機(jī)器人的識(shí)別范圍內(nèi)的距參考平面具有最小高度差的平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中環(huán)境地圖包括發(fā)現(xiàn)障礙物的障礙物區(qū)域，機(jī)器人可以移動(dòng)的自由空間區(qū)域和未觀測區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中平面檢測裝置包括平面計(jì)算裝置，用于在三維數(shù)據(jù)組的三個(gè)或多于三個(gè)的點(diǎn)上采樣通過轉(zhuǎn)換作為輸入圖像輸入的視差圖像或距離圖像獲得的三維數(shù)據(jù)；以及平面確定裝置，用于對(duì)一個(gè)投票空間對(duì)由平面計(jì)算裝置獲得的多個(gè)平面參數(shù)進(jìn)行投票，并基于投票結(jié)果確定一組平面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括距離圖像產(chǎn)生裝置，通過使用基于從設(shè)置在該機(jī)器人中的多個(gè)成像裝置獲得的圖像數(shù)據(jù)而計(jì)算得出的視差圖像，以及與在設(shè)置多個(gè)圖像裝置的位置的視差數(shù)據(jù)相應(yīng)的齊次變換矩陣，產(chǎn)生距離圖像；以及平面檢測裝置，適于基于該距離圖像計(jì)算平面參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中障礙物識(shí)別裝置適于識(shí)別至少在所述該組平面中的機(jī)器人正在移動(dòng)的平面上的障礙物，環(huán)境地圖更新裝置適于繪制機(jī)器人正移動(dòng)的平面的環(huán)境地圖及/或更新該平面的現(xiàn)有環(huán)境地圖。
11.一種環(huán)境識(shí)別方法，由處在包括一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中的行走型機(jī)器人使用以識(shí)別該環(huán)境，該方法包括平面檢測步驟，基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測平面；障礙物識(shí)別步驟，識(shí)別在該平面檢測步驟中檢測的平面上存在的任何障礙物；以及環(huán)境地圖更新步驟，基于在該障礙物識(shí)別步驟中識(shí)別的障礙物信息繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有地圖；其中該平面檢測步驟適于檢測一組平面，該組平面包括一個(gè)用作參考的參考平面和一個(gè)或多個(gè)基本上與該參考平面平行的平面；該環(huán)境地圖更新步驟適于為該組平面中具有在障礙物識(shí)別步驟中被識(shí)別出的障礙物的平面，繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中參考平面是地面。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中參考平面是機(jī)器人正在其它移動(dòng)的平面。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中每個(gè)平面都有一個(gè)允許機(jī)器人在其上移動(dòng)的表面區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中除了參考平面之外的其它平面是距所述參考平面的高度差不大于一個(gè)預(yù)定值的平面。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中除了參考平面之外的其它平面包括在機(jī)器人的識(shí)別范圍內(nèi)的距參考平面具有最小高度差的平面。
17.一種路徑規(guī)劃設(shè)備，由處在包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中的一個(gè)移動(dòng)型機(jī)器人使用，以便規(guī)劃一個(gè)從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的移動(dòng)路徑，該設(shè)備包括平面檢測裝置，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測一個(gè)用作參考的參考平面，以及一組包括一個(gè)或多個(gè)不同于該參考平面且與該參考平面基本上平行的平面；障礙物識(shí)別裝置，用于識(shí)別在由平面檢測裝置檢測的該組平面的每一個(gè)上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新裝置，基于由障礙物識(shí)別裝置識(shí)別的障礙物信息，為該組平面中的每個(gè)平面繪制一個(gè)環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有的環(huán)境地圖；以及路徑規(guī)劃裝置，用于基于由環(huán)境地圖更新裝置繪制和/或更新的環(huán)境地圖為機(jī)器人規(guī)劃移動(dòng)路徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中路徑規(guī)劃裝置適于以一種預(yù)定的方式將每個(gè)環(huán)境地圖分為多個(gè)區(qū)域，計(jì)算當(dāng)機(jī)器人從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置所要經(jīng)過的每個(gè)區(qū)域所需要的移動(dòng)成本，并基于所計(jì)算的成本規(guī)劃移動(dòng)路徑。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中環(huán)境地圖包括包含有一個(gè)或多個(gè)障礙物的障礙物區(qū)域，允許自由移動(dòng)的自由空間區(qū)域和未觀測區(qū)域；以及如果與當(dāng)前行走平面對(duì)應(yīng)的第一環(huán)境地圖包括一個(gè)或多個(gè)障礙物區(qū)域，則路徑規(guī)劃裝置參考與當(dāng)前行走平面不同的一個(gè)平面對(duì)應(yīng)的第二環(huán)境地圖，并且如果該障礙物區(qū)域在該第二環(huán)境地圖上是一個(gè)自由空間區(qū)域時(shí)，那么該障礙物區(qū)域就被認(rèn)為是可移動(dòng)的區(qū)域。
20.一種路徑規(guī)劃方法，用于由在一個(gè)包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中的移動(dòng)型機(jī)器人使用，以規(guī)劃從當(dāng)前位置移動(dòng)到一個(gè)目標(biāo)位置的移動(dòng)路徑，包括平面檢測步驟，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測一個(gè)用作參考的參考平面，以及一組包括一個(gè)或多個(gè)不同于該參考平面且與該參考平面基本上平行的平面；障礙物識(shí)別步驟，用于識(shí)別在平面檢測步驟中檢測的該組平面的每一個(gè)上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新步驟，基于在障礙物識(shí)別步驟中識(shí)別的障礙物信息，為該組平面中的每個(gè)平面繪制一個(gè)環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有的環(huán)境地圖；以及路徑規(guī)劃步驟，用于基于在環(huán)境地圖更新步驟中繪制和/或更新的環(huán)境地圖為機(jī)器人規(guī)劃移動(dòng)路徑。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中路徑規(guī)劃步驟適于以一種預(yù)定的方式將每個(gè)環(huán)境地圖分為多個(gè)區(qū)域，計(jì)算當(dāng)機(jī)器人從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置所要經(jīng)過的每個(gè)區(qū)域所需要的移動(dòng)成本，并基于所計(jì)算的成本規(guī)劃移動(dòng)路徑。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中環(huán)境地圖包括包含有一個(gè)或多個(gè)障礙物的障礙物區(qū)域，允許自由移動(dòng)的自由空間區(qū)域和未觀測區(qū)域；以及如果與當(dāng)前行走平面對(duì)應(yīng)的第一環(huán)境地圖包括一個(gè)或多個(gè)障礙物區(qū)域，則在路徑規(guī)劃步驟中參考與當(dāng)前行走平面不同的一個(gè)平面對(duì)應(yīng)的第二環(huán)境地圖，并且如果該障礙物區(qū)域在該第二環(huán)境地圖上是一個(gè)自由空間區(qū)域時(shí)，那么該障礙物區(qū)域就被認(rèn)為是可移動(dòng)的區(qū)域。
23.一種機(jī)器人，適于在包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中獨(dú)立移動(dòng)并且具有一個(gè)環(huán)境識(shí)別設(shè)備用于識(shí)別所述環(huán)境，所述環(huán)境識(shí)別設(shè)備包括平面檢測裝置，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測平面；障礙物識(shí)別裝置，用于識(shí)別由該平面檢測裝置檢測的平面上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新裝置，用于根據(jù)由障礙物識(shí)別裝置所識(shí)別的障礙物的信息來繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖；其中該平面檢測裝置適于檢測一組平面，該組平面中包括一個(gè)用作參考的參考平面以及一個(gè)或多個(gè)基本上與所述參考平面平行的其他平面；該環(huán)境地圖更新裝置適于為該組平面中具有被所述障礙物識(shí)別裝置識(shí)別出的障礙物的平面繪制環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有環(huán)境地圖。
24.一種機(jī)器人，適于在包含一個(gè)或多個(gè)障礙物的環(huán)境中獨(dú)立規(guī)劃一個(gè)從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的行走路徑，并且具有一個(gè)路徑規(guī)劃設(shè)備用于識(shí)別所述環(huán)境以及規(guī)劃一個(gè)行走路徑，該路徑規(guī)劃設(shè)備包括平面檢測裝置，用于基于輸入圖像計(jì)算平面參數(shù)，并基于該平面參數(shù)檢測一個(gè)用作參考的參考平面，以及一組包括一個(gè)或多個(gè)不同于該參考平面且與該參考平面基本上平行的平面；障礙物識(shí)別裝置，用于識(shí)別在由平面檢測裝置檢測的該組平面的每一個(gè)上存在的障礙物；環(huán)境地圖更新裝置，基于由障礙物識(shí)別裝置識(shí)別的障礙物信息，為該組平面中的每個(gè)平面繪制一個(gè)環(huán)境地圖和/或更新現(xiàn)有的環(huán)境地圖；以及路徑規(guī)劃裝置，用于基于由環(huán)境地圖更新裝置繪制和/或更新的環(huán)境地圖為機(jī)器人規(guī)劃移動(dòng)路徑。
全文摘要
一種環(huán)境識(shí)別設(shè)備和一種環(huán)境識(shí)別方法，能夠繪制一個(gè)環(huán)境地圖，所述地圖用于判斷是否可以移動(dòng)到一個(gè)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)或多個(gè)高于或低于地面的臺(tái)階的區(qū)域，以及一種路徑規(guī)劃設(shè)備和一種路徑規(guī)劃方法，能夠利用這種環(huán)境地圖適當(dāng)?shù)匾?guī)劃一個(gè)移動(dòng)路徑，和一種裝配有這種環(huán)境識(shí)別設(shè)備及路徑規(guī)劃設(shè)備的機(jī)器人。該機(jī)器人包括一個(gè)環(huán)境識(shí)別部分，它包括多個(gè)適于從視差圖像或距離圖像中計(jì)算平面參數(shù)并提取包括地面在內(nèi)的多個(gè)平面的平面提取部分401，一個(gè)適于識(shí)別包括地面在內(nèi)的多個(gè)平面上的障礙物的障礙物識(shí)別部分402，和一個(gè)環(huán)境地圖更新部分403，適于基于障礙物識(shí)別部分402的識(shí)別結(jié)果為每個(gè)平面繪制環(huán)境地圖(障礙物地圖)并更新當(dāng)前環(huán)境地圖，以及一個(gè)路徑規(guī)劃部分404，它適于基于這些環(huán)境地圖產(chǎn)生路徑規(guī)劃。當(dāng)在地面環(huán)境地圖中的一個(gè)平面上發(fā)現(xiàn)一個(gè)障礙物但在該平面環(huán)境地圖上沒有發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，該路徑規(guī)劃部分404將該平面選擇為路程候選。
文檔編號(hào)B25J13/08GK1617170SQ200410100518
公開日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2004年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者佐部浩太郎, 古特曼·斯蒂芬 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社