CN1262079C - 机器人遥控系统与装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人遥控系统，包括双腿行走机器人和遥控该双腿行走机器人的遥控装置。该机器人与该遥控装置通过通信网络连接，该机器人被按来自该遥控装置的控制数据加以控制。遥控装置具备一对左右机械旋转机构，分别提供双腿行走机器人左右脚部以移动量；以及控制数据发送器，把移动量所相应的控制数据发送至双腿行走机器人。双腿行走机器人具备：控制数据接收器，接收遥控装置发来的控制数据；以及腿部动作控制器，处理控制数据以控制双腿前后动。

Description

机器人遥控系统与装置以及方法

技术领域

本发明涉及机器人遥控系统与遥控装置以及遥控方法，尤其是有关于通过通信网络遥控双腿行走机器人的遥控系统与遥控装置以及遥控方法。

背景技术

已有的机器人遥控方法中，有一种可利用PHS线路进行遥控的tmsuk04方法(机器人杂志No.18，欧姆公司pp20-23，2001年)。按tmsuk04方法，通过人工操作主臂来再现从动一侧机器人的动作。另外，还有一种利用操纵杆(joy stick)的机器人遥控装置。其是通过前后左右移动一个棒状开关(操纵杆)来控制操纵方向、步幅以及速度。

又，关于双腿行走机器人遥控方法，有输入指令的方法、输入移动目的地及其路径的方法。

上述已有的双腿行走机器人遥控装置，一般都系庞大的系统。而且实际操作时，不容易直观地把握各脚体状态或双腿行走机器人的脚部受力状态，很难说是一种容易操作的装置。

发明内容

本发明目的就在于提供一种可避免上述弊端的机器人遥控系统与遥控装置以及遥控方法，其遥控装置轻便、操作时可直观地确认双腿行走机器人状态。

本发明目的是这样实现的：一种机器人遥控系统，包括双腿行走机器人和根据控制数据遥控该双腿行走机器人的遥控装置，其中，

该机器人与该遥控装置通过通信网络连接，该机器人被按来自该遥控装置的控制数据加以控制；

上述遥控装置具备：一对左右机械旋转机构——分别提供上述双腿行走机器人左右脚部以移动量；以及控制数据发送器——把上述移动量所相应的控制数据发送至上述双腿行走机器人；

上述双腿行走机器人具备：控制数据接收器——接收上述遥控装置发来的上述控制数据；腿部动作控制器——处理上述控制数据，并根据该控制数据控制双腿前后动；传感器；以及力觉数据发送器——根据上述传感器所检测出的环境信息计算脚部受力，把计算结果作为力觉数据发送至上述遥控装置。

本发明目的还是这样实现的：一种机器人遥控装置，用于遥控双腿行走机器人，其中，

上述机器人遥控装置通过通信网络与上述双腿行走机器人连接；

上述机器人遥控装置具备：一对左右机械旋转机构——分别提供上述双腿行走机器人左右脚部以移动量；控制数据发送器——把上述移动量所相应的控制数据发送至上述双腿行走机器人；接收器——通过通信网络从上述双腿行走机器人接收根据上述双腿行走机器人所具有的传感器所检测出的环境信息而计算出的上述双腿行走机器人的脚部受力的力觉数据。

本发明目的还是这样实现的：一种机器人遥控方法，适用于机器人遥控系统，该系统包括双腿行走机器人和根据控制数据遥控该双腿行走机器人的遥控装置，其中，

该机器人与该遥控装置通过通信网络连接，该机器人被按来自该遥控装置的控制数据加以控制；

本方法包括如下步骤：

操作上述遥控装置中的一对左右机械旋转机构，以提供上述双腿行走机器人左右脚部以移动量；

把上述移动量所相应的控制数据发送至上述双腿行走机器人；

于上述双腿行走机器人，接收上述遥控装置发来的上述控制数据，处理该控制数据，并根据该控制数据控制双腿前后动；

根据上述传感器所检测出的环境信息计算脚部受力，把计算结果作为力觉数据发送至上述遥控装置。

另外，本发明特征及优点可通过以下结合附图对细节的描述得以清楚理解，或者可通过按细节描述内容来实施本发明而得以掌握。本发明的目的和其它特征以及优点将通过后述装置得以实现。对该装置的描述将是全面、清楚、简洁、准确的，以至于达到可使本专业技术人员得以实施本发明的程度。

附图说明

图1是一种根据本发明实施例的机器人遥控系统结构示意图。

图2是图1所示遥控装置外形图。

图3是使用图1所示遥控装置操作双腿行走机器人的示意图。

图4是图1所示遥控装置的带式环转器结构示意图。

图5坡路上双腿行走机器人受力情况示意图。

图6是用于反馈力给带式环转器的马达的外部电路图。

图7是另一种反馈力至带式环转器的方法之示意图。

图8是带式环转器移动量与双腿行走机器人步幅之关系示意图。

图9是图1所示遥控系统下遥控机器人之际的处理流程图。

图10是从安装于机器人上的倾斜传感器所获信息控制带式环转器动作粘性的处理流程图。

图11是根据本发明另一实施例的带罗拉的遥控装置之示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作以说明。

实施例1

图1例示了一种根据本发明实施例1的双腿行走机器人遥控系统。

根据图1，该遥控系统包括：双腿行走机器人(以下简称机器人)20、以及通过通信网络100遥控机器人20的携带式遥控装置10。

遥控装置10包括：进行总体控制的CPU19、带旋转皮带机构的一对左右带式环转器11(细节后述)、根据CPU19(控制部)指令控制驱动上述旋转皮带机构的马达之输出的伺服控制部12、对伺服控制部12输出作数模转换的D/A13、用于检测上述马达的转角/速度/方向的编码器(encoder)14、求编码器14输出脉冲数的计数器15、显示机器人上安装的CCD照相机所摄制视听觉信息的显示器16、数字键等操作部17、以及同连接于通信网络100的基地台(图中省略)无线通信的无线通信部18。

机器人20则包括：检测机器人倾角的倾斜传感器21、从倾斜传感器21所检测倾角求机器人20脚部状态的CPU22、以及无线通信部23。该无线通信部23数据处理CPU22所求出的机器人脚部状态，将数据处理后的数据(以下称称”力觉数据”)传送至连接于通信网络100的基地台(图中省略)。

图2示出了图1所示遥控装置10外形。

图2示出了遥控装置10的显示器16、带式环转器11以及操作部17。如该图2所示，带式环转器11带一对左右旋转皮带。根据本发明，通过靠惯用手(在此设是右手)的食指和中指旋转该一对左右旋转皮带机构，可得带式环转器的左右移动量，通过该移动量，来操作机器人脚的步进(见图3)。

上述带式环转器结构譬如图4所示。

根据图4，带式环转器11包括：旋转皮带31、用于控制旋转皮带31动作阻力(以下称粘性)的马达32、被套上皮带31的靠马达32驱动来使皮带31回动的罗拉33、用于检测带式环转器旋转皮带31移动量的编码器14、用于确认操作者手指接触着旋转皮带31的开关35。

带式环转器11，只有当开关35置于ON时其皮带才可以旋转，通过以编码器(譬如为incremental encoder，增量编码器)14输出对应于罗拉33转角的脉冲，通过对编码器14输出脉冲计数，可确认带式环转器11移动量。另，也可用绝对编码器(absolute encoder)取代增量编码器。此时，所输出转角之绝对值被视为带式环转器11的移动量。

根据本实施例，在机器人20沿斜坡上上下下的场合，进行粘性控制，以使带式环转器11的皮带31的粘性或重或轻(即造成皮带31滑动差或滑动好)。具体而言，为这样一种控制：靠安装于机器人20上的倾斜传感器21检测机器人20状态，若通过状态检测判定处于上坡时，就从带式环转器11配设的马达32输出一定力，使带式环转器11重滞难动；若判定处于下坡时，则使带式环转器11轻滑易动。关于该粘性控制处理细节后述。

图5示出了机器人20沿斜坡行走时受力情况。

根据图5，机器人20爬倾角为θ的斜坡时，机器人20所受的向后的力可表示为M·g·sinθ。其中，M为机器人20质量，g为重力加速度为。此时，使马达32对带式环转器11产生大小为C_O·M·g·sinθ(C_O为常数)的力，从而将机器人20受力间接地反馈至操作者手指。即，坡度陡(θ变大)时，让马达32产生使带式环转器11的皮带31回动困难的力；而下坡(θ为负值)时，让马达32产生使带式环转器11的皮带31回动容易的力。

另，上述力，只当手指接触带式环转器11的皮带31时(带式环转器11配设的开关35被按压时)才产生。又，为了在带式环转器11上产生C_O·M·g·sinθ的力，本实施例采用图6所示电路。

图6示出了用于反馈力给带式环转器11的马达32的外部电路。根据该电路图，该电路包括：产生转矩T的马达32、电压为V的电源、开关35以及可变电阻Ra40。可变电阻Ra40可根据机器人传来的力觉数据而改变阻值，这将引起电压变化(指令电压)而加到马达32上，据此进行转矩T控制。这样，就可由马达32产生相应于斜坡倾角θ的大小为C_O·M·g·sin θ的力，使带式环转器11的皮带31的粘性反映出在倾角为θ的斜坡上行走的机器人20之状态。

上述电路中的Ra可以下式(1)求出。

Ra＝(K/T)·(V-K·ω)                          (1)

另，若设某坡路的坡度为θ时的带式环转器11移动量为Δ1，则Ra可以如下变形公式(2)表示。

Ra＝(K/(C_o·M·g·sinθ))·(V-C_l·Δl)     (2)

K：马达的反向电动势(back electromotive force)常数

Δl：带式环转器移动量

C_o，C_l：常数

图7示出的是另一种反馈力至带式环转器11上的方法。

图7所示方法是：通过用棒状组件45以力F按压带式环转器11来控制带式环转器11的皮带31粘性。在此，设带式环转器11与棒状组件45的摩擦系数为μ，则力F产生于皮带31上一分力μ·F。因此，通过改变F值，使μ·F变为C_O·M·g·sinθ，就可以在带式环转器11上产生大小为C_O·M·g·sinθ的反力。

关于反馈力至带式环转器11上的方法，并非仅限于上述方法，在不脱离本发明构思的情况下，可以应用种种反馈方法。

下面以图8来说明带式环转器11上手指移动量与机器人20步进之关系。首先，设左带式环转器(靠食指操作)的移动量为Δl_l，右带式环转器(靠中指操作)的移动量为Δl_r，机器人20左右脚步进分别为Δl_L，Δl_R。则有如是关系成立：Δl_l∶Δl_r＝Δl_L∶Δl_R。又设机器人20两腿间距为D。

在此，当机器人20的最小回转半径为R时，半径为R的圆的曲率ρ可从下式(3)求得。

ρ＝1/R＝((Δl_R-Δl_L)/(Δl_R+Δl_L))·(2/D)   (3)

即，若左带式环转器移动量小机器人就往左转，若左右带式环转器移动量相等则直走。又，通过反推带式环转器，可使机器人后退。据此，可以自由地操作机器人前进、后退以及回转。

下面，参照图9描述在图1所示遥控系统下遥控机器人腿部动作之际的处理。

根据图9，机器人20与遥控装置10通过通信网络100进行信息接发。

当操作者手指在遥控装置10的带式环转器11上动时(S1)，编码器14检测相对于带式环转器11旋转皮带转角变量所输出的脉冲数，检测结果将被提供至CPU19。CPU19根据从编码器14获取的检测结果计算带式环转器11移动量(S2)；然后将带式环转器11移动量转换成机器人20步幅数据(S3)，提供至无线通信部18。无线通信部18对该步幅数据进行编码、调制及变频等处理，而后发送至连接于通信网络100的基地台(图中省略)(S4)。

这样，遥控装置10所发送步幅数据就通过通信网络100被机器人20的无线通信部23所接收。机器人20的无线通信部23接收到遥控装置10发送来的步幅数据信号后，进行变频、解调及解码等处理，继而输出至执行机器人腿部动作的自动机构。其后，机器人20的脚部就被按着步幅数据控制(S5)。

在上述实施例中，遥控装置10对机器人20的遥控是这样进行的：一边在显示器16上监视安装于机器人20上的CCD照相机(图中省略)发来的图像，一边操作。但是，若机器人20与操作者距离近的话，也可不靠显示器16监视机器人20，而是直接看着机器人来进行操作。

又，虽然上述实施例中，带式环转器11移动量转换成机器人步幅的计算是由遥控装置10内部CPU19完成的。但是，本发明实施方式并非仅限于此。譬如，也可让遥控装置10仅负责发送带式环转器11移动量数据，而带式环转器11移动量转换成机器人步幅的计算则由机器人20内部CPU22进行。

下面以流程图10说明根据安装于机器人20上的倾斜传感器21所获信息控制带式环转器11动作粘性的处理过程。

根据图10，安装于机器人20上的倾斜传感器21，检测出机器人20倾角(S11)。将该表示机器人20脚部状态的倾角信息提供至CPU22。CPU22，在接收到该倾角信息后，根据该倾角信息计算机器人20力学状态(以力学方式求机器人20是处在上坡还是下坡)(S12)，同时还计算机器人20脚部受力(S13)。

CPU22将计算结果提供至无线通信部23，进行编码、调制及变频等处理，而后作为力觉数据发送至连接于通信网络100的基地台(图中省略)(S14)。

这样，机器人20所发送力觉数据被遥控装置10的无线通信部18所接收。无线通信部18对所接收力觉数据信号进行变频、解调及解码等处理，然后通过CPU19输出至带式环转器11的马达32(S15)。带式环转器11的马达32根据CPU19指令输出一定力。据此，带式环转器11的皮带31在回转时就带有了对应于机器人20脚部受力大小的粘性，于是操作者可在体感着机器人20行走状态的情况下来控制机器人20行走。

另，虽然在上述实施例中，是由机器人20内部CPU22完成关于某倾角下的脚部受力计算。但是，本发明实施方式并非仅限于此。譬如，也可让机器人20仅负责发送倾斜传感器21输出，而由遥控装置10内部CPU19来计算在倾斜传感器21所检测倾角下的机器人20脚部受力。

实施例2

参考图11说明本发明实施例2。根据本实施例2，遥控装置10没有带式环转器11，代之以安装图11所示一对左右辊子50，据此也可遥控双腿行走机器人。这进一步还可细分为若干形式，譬如：图11左侧示意的便于用两手的拇指操作左右辊子的形式；图11右侧示意的便于用单手操作左右辊子的形式。后一形式下，使左右辊子间距在可用单手操作的尺度范围，这样仅靠右手(惯用手)拇指即可操作。

遥控装置还也可以采用其它形式，譬如一对便携式音响装置上的音量调节等用的齿轮机构。

上述遥控装置10，可以采用具有移动性的终端，如可连接于通信网络100(如移动通信网络)的携带式移动终端(譬如移动电话)、笔记本电脑、以及PDA等。

又，上述通信网络，除了移动通信网络外，还可以是公用网络、无线LAN网络或I P网络等。这时，只要将可实现访问相应网络的无线通信接口功能配置于携带式移动终端即可。

根据本发明实施例，遥控装置操作者，通过手指移动，就能够以模拟人行走的形式来遥控机器人20行走。可以实时地确认机器人20的力学状态，而这是难以从显示器得到的视觉信息获得的。而且还可实现遥控装置统小型化。

再者，通过利用通信网络可以实现实时遥控，机器人20行动范围不受限制，只要是在移动通信网络服务区内，无论哪里都可自由地进行遥控。

本申请是基于2002年8月21日于日本提出的申请号为2002-241075号的在先申请，在此参照了其全部内容。

Claims (10)

1.一种机器人遥控系统，包括双腿行走机器人和根据控制数据遥控该双腿行走机器人的遥控装置，其中，

该机器人与该遥控装置通过通信网络连接，该机器人被按来自该遥控装置的控制数据加以控制；

上述遥控装置具备：一对左右机械旋转机构——分别提供上述双腿行走机器人左右脚部以移动量；以及控制数据发送器——把上述移动量所相应的控制数据发送至上述双腿行走机器人；

上述双腿行走机器人具备：控制数据接收器——接收上述遥控装置发来的上述控制数据；腿部动作控制器——处理上述控制数据，并根据该控制数据控制双腿前后动；传感器；以及力觉数据发送器——根据上述传感器所检测出的环境信息计算脚部受力，把计算结果作为力觉数据发送至上述遥控装置。

2.按权利要求1所述的机器人遥控系统，其中，

上述遥控装置还具备阻力调整器——根据上述双腿行走机器人发来的力觉数据，控制分别驱转上述左右机械旋转机构的马达，以调整上述左右机械旋转机构的转动阻力。

3.权利要求1所述的机器人遥控系统，其中，上述传感器包括传递上述双腿行走机器人倾斜信息的倾斜传感器。

4.一种机器人遥控装置，用于遥控双腿行走机器人，其中，

上述机器人遥控装置通过通信网络与上述双腿行走机器人连接；

上述机器人遥控装置具备：一对左右机械旋转机构——分别提供上述双腿行走机器人左右脚部以移动量；控制数据发送器——把上述移动量所相应的控制数据发送至上述双腿行走机器人；接收器——通过通信网络从上述双腿行走机器人接收根据上述双腿行走机器人所具有的传感器所检测出的环境信息而计算出的上述双腿行走机器人的脚部受力的力觉数据。

5.按权利要求4所述的遥控装置，其中，上述控制数据发送器，根据上述移动量，控制上述左右机械旋转机构；使之调整上述双腿行走机器人的步幅。

6.按权利要求4所述的遥控装置，其中，上述控制数据发送器，根据上述各移动量之差异，控制上述左右各机械旋转机构，使上述双腿行走机器人转向。

7.按权利要求4所述的遥控装置，其中，

还具备阻力调整器——通过通信网络从上述双腿行走机器人接收力觉数据，根据所接收该力觉数据，控制分别驱转上述左右机械旋转机构的马达，以调整上述左右机械旋转机构的转动阻力；

上述力觉数据，是根据上述双腿行走机器人具备的倾斜传感器所检测出的信息而获取的，上述力觉数据表示上述双腿行走机器人脚部受力。

8.按权利要求4所述的遥控装置，其中，上述左右机械旋转机构包括带旋转皮带机构的带式环转器或辊子。

9.按权利要求4所述的遥控装置，其中，还包括显示器——显示从上述双腿行走机器人上的图像装置输出的图像信号。

10.一种机器人遥控方法，适用于机器人遥控系统，该系统包括双腿行走机器人和根据控制数据遥控该双腿行走机器人的遥控装置，其中，

该机器人与该遥控装置通过通信网络连接，该机器人被按来自该遥控装置的控制数据加以控制；

本方法包括如下步骤：

操作上述遥控装置中的一对左右机械旋转机构，以提供上述双腿行走机器人左右脚部以移动量；

把上述移动量所相应的控制数据发送至上述双腿行走机器人；

于上述双腿行走机器人，接收上述遥控装置发来的上述控制数据，处理该控制数据，并根据该控制数据控制双腿前后动；

根据上述传感器所检测出的环境信息计算脚部受力，把计算结果作为力觉数据发送至上述遥控装置。

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