CN1729035A - 控制机器人的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明致力于一种使用高级编程语言控制机器人(41)的计算机执行的系统和方法。本发明定义了三种编程语言，即两种高级语言和一种低级语言。第一高级编程语言在本文中称为机器人情景语言(RSL)(20)，终端用户(18)以该语言根据高级行为或动作创建机器人演示(40)。第二高级语言在本文中称为机器人行为语言(RBL)，包括多个用于描述以高级(RSL)语言的每个高级行为或动作将如何被转换或映射为用于直接控制机器人(41)硬件的低级语言命令的模板。低级语言在本文中称为机器人硬件语言(RHWL)。

Description

控制机器人的系统和方法
1、发明领域
本发明涉及用于控制机器人的计算机执行方法。更具体而言，本发明涉及通过明显地将高级编程语言转变为可直接由机器人执行的低级语言硬件命令来控制机器人的方法。
2、相关技术描述
尽管普遍认为机器人已经而且正在被开发用于大量的行为，但是迄今为止很少甚至没有进行关于被分派执行不需要与它们的环境进行复杂交互的行为的机器人的研究。在现有技术中，定义机器人语言的开端已被划分为两个趋向：开发者以低级来定义机器人的动作和反应(即硬件需要执行什么动作或需要什么传感器来处理刺激)；或者他们定义用于任务描述的复杂的高级语言(例如任务描述语言)，旨在解决其中动作需要同步的高度复杂的任务。两种方法都不满足用户想要使用机器人进行不需要与环境进行复杂交互的简单行为的需要。这种行为例如可以包括售货员机器人、烹饪机器人和清洁机器人。对于这些行为而言，理想的是不具有特定编程技巧的用户能够仅仅使用高级语言语句来操作机器人进行销售演示或烹饪示范，所述用户例如是艺术家或广告执行者。因此，需要某种装置来将高级语言命令转换为可由机器人直接执行的低级语言命令。本发明致力于达到这些和其他目的。
本发明致力于一种使用高级编程语言控制机器人的计算机执行的系统和方法。本发明定义了三种编程语言，即两种高级语言和一种低级语言。第一高级编程语言在本文中称为机器人情景语言(RSL)，在该语言中终端用户根据高级行为或动作创建机器人演示。第二高级语言在本文中称为机器人行为语言(RBL)，它包括多个模板，所述模板用于描述高级(RSL)语言中的每个高级行为或动作将如何被转换或映射为用于直接控制机器人硬件的低级语言命令。低级语言在本文中称为机器人硬件语言(RHWL)。
根据本发明的一个方面，一种使用高级编程语言控制机器人的方法包括以下步骤：将定义所述机器人要执行的行为的第一组编程语句作为第一输入提供给转换引擎(transformation engine)；将包括定义用于解释所述行为的规则的行为模板的第二组编程语句作为第二输入提供给所述转换引擎；以及在转换引擎中，根据所述定义的规则转换所述行为以产生用于直接控制所述机器人的第三组机器人命令。
根据本发明的另一个方面，一种使用高级编程语言控制机器人的系统，所述系统包括：用于将定义所述机器人要执行的行为的第一组编程语句作为第一输入提供给转换引擎的装置；用于将包括定义用于解释所述行为的规则的行为模板的第二组编程语句作为第二输入提供给所述转换引擎的装置；以及用于在转换引擎中根据所述定义的规则转换所述行为以产生用于直接控制所述机器人的第三组机器人命令的装置。
本发明所提供的一个优势在于为在编程方面不具有特定的专门知识的用户提供一种能力，即通过只使用高级RSL编程语言来构造机器人演示，而无需掌握神秘的高级任务描述语言语句或低级编程语言语句。
本发明的另一个优势在于机器人可以被容易地修改或升级。设想由有毛病的元件引起的机器人故障的情况。替换元件也许不遵循与原始元件相同的规范。通常，这将需要以机器人的本机语言重写低级代码以适应新元件规范的不同，这既费时又容易出错。本发明通过借助于RBL模板语言来仅仅改变映射，从而仅仅改变高级(RSL)编程语言和低级(RHWL)语言之间的映射来克服这个缺陷。通过只修改RBL模板来适应新元件的不同规范，消除了用户不得不重写低级代码的工作。RBL语言在某种意义上提供了一个抽象层。
本发明提供的另一个优势在于在具有不同硬件配置的各种机器人平台上获得一致的行为结果的能力。作为一个例子，设想高级语言行为指示机器人“从它的当前位置移动10英尺”。对于任何机器人都可获得这个一致的行为结果而无论其内部硬件配置如何。这种能力是通过低级和高级语言之间的分离而提供的。
本发明非常适合于其中机器人被用于执行不需要与环境进行复杂交互的不复杂任务的应用。例如，这种应用可以包括机器人作为销售员、厨师、清洁工，或用于使用CNC机器的制造过程中。然而，本发明并不固有地限于特定类别的应用。
结合附图并参照以下对本发明实施例的详细描述，本发明的上述特点将更为显而易见并可以被理解，其中：
图1说明用于以RSL语言创建高级机器人演示的计算机终端显示屏的快照图像；
图2是说明用于将高级RSL指令和相关的RBL行为模板转换为低级RHWL指令以直接控制机器人的硬件的过程的流程的框图；以及
图3是用于所说明实例的图2的过程框42的更详细的说明。
在对本发明的以下详细描述中，陈述了多个具体的细节以便提供对本发明的全面理解。然而，对于本领域的技术人员而言，显而易见的是本发明可以在没有这些具体细节的情况下实现。在一些例子中，公知结构和设备以框图的形式示出而不详细说明，以避免模糊本发明。
本发明在其最主要的应用中利用了三种编程语言，第一语言通常可以称为高级编程语言，第二语言通常可以称为高级模板语言以及第三编程语言通常称为低级编程语言。这三种编程语言形成了用于通过高级编程语言控制机器人行动的基础或结构。
在本文中将在可扩展标记语言(XML)的背景下描述本发明的原理。XML是给出大量现有基础结构的优选实施方式。然而，要理解的是，XML实施例是非限制性的示例性实施例。
如上所述，本发明定义了三种编程语言和它们的使用方法。以下将定义每种语言。
A、机器人情景语言(RSL)
RSL语言是高级编程语言，其被构造为易于不具有特定编程技巧的非专业终端用户使用。例如，它为了被创造性/艺术性的人们使用而开发，这些人几乎不熟悉编程语言或对编程语言几乎不感兴趣，但又希望为了许多目的而创建机器人演示，所述目的包括在例如购物商场或公园或在电影院的大厅中进行要实施的销售示范。
高级RSL编程语言的一个值得注意的特征是，由于是高级语言，因此语言语句是在不考虑或不涉及特定机器人的特性或能力的情况下写出的。高级语言命令描述机器人的行为而不需要指定如何实现行为。例如，RSL语言语句通常定义由机器人执行的常见行为，例如“跑”、“笑”、“眨眼”、“跳舞”等等。语句可以进一步包括标准行为的变体，举例来说，例如定义各种类型的跳舞，比如乡村舞、摇摆舞、慢舞，或者多种类型的笑，比如“捧腹大笑”或“吃吃的笑”等等。
图1说明坐在计算机终端前想要创建机器人网络演示的终端用户可以如何使用RSL语言的实施例。图1说明运行用于创建机器人演示的程序的计算机终端显示屏10的快照图像。如所示，用于定义想要的机器人动作的可选图标20的选项板定义在显示屏10的上部，包括“跑”图标11、“跳”13、“笑”15等。用户将仅仅通过将可选图标抓取并拖入想要的演示序列35中来创建机器人演示。图1的快照图像说明终端用户已经创建了部分机器人网上演示，该网上演示包括四个图标，其命令机器人以如时间轴指示的顺序首先“跳”36、“笑”37、“叹息”38和“滚动眼球”39。使用简化的图标驱动方式，机器人演示可以以直接易于理解的方式创建。
根据本实施例，机器人行动的深奥的部分在应用级别是完全透明的。一旦完成，则基于RSL的高级演示可以被存储以备后用和/或修改。也可以考虑，RSL文件一旦被创建，则可以电子地传送到一个或多个远程位置以用于指导特定机器人的行为。
B、RBL模板语言
RBL语言由用于定义可以如何实现RSL高级语言命令的行为模板组成。也就是说，RBL行为模板描述高级(RSL)语言中的每个高级行为或动作如何被转换或映射为低级语言命令以直接控制机器人的硬件。RBL行为模板由一个或多个规则组成。例如，一个用于映射“笑”的RSL命令的RBL行为模板可以包括用于指示机器人将他的嘴的外部向上移动的第一规则以及指示机器人显示他所有的牙齿的第二规则。
RBL模板与RSL命令以多对一的关系存在。换句话说，每个RSL命令可以具有多个规定不同组的规则来执行相同行为的RBL模板。参照前面的例子，“笑”的第二RBL行为模板可以包括用于指示机器人快速地上下移动它的脸颊的规则。显然，对为特定RSL命令可以创建的不同RBL模板的数量或种类没有限制。
假定RBL行为模板的创建和保存涉及某种程度的编程的专门知识，则可以想像RBL行为模板可以由独立的且不同于创建机器人情景的人们的实体创建和保存。
C、RHWL语言
本发明的第三编程语言是低级机器人硬件语言(RHWL)，用于直接控制机器人的硬件。这实际上是机器人的本机语言。RHWL语言代表机器人能够执行的低级指令的全体。
D、一个实施例
为了说明根据一个实施例的本发明的操作，提供了一个实例，在该实例中三种编程语言中的两种(即RSL和RHWL)被描述为XML语言实施例，而第三编程语言被描述为可扩展样式表(stylesheet)语言(XSL)实施例。假定可扩展基础结构目前是可用的，则XML是优选
实施例。
现在参照图2，示出了处理流程图200，其描述了一种用于通过高级编程语言远程控制机器人(称为Stan)的动作的计算机执行的系统和方法。
在所说明的例子中，终端用户想要构造包含单个动作的机器人演示，即拍一张照片。该例子是故意简单化的，以便不至于模糊本发明的原理。
在所说明的例子中，假定机器人(Stan)具有照相的能力(即头部的摄像机)，并根据预想的机器人销售演示而需要为旁观者拍照。
首先，假定不熟悉编程语言或对编程语言不感兴趣的终端用户18的任务是创建一个机器人销售演示。用户可以在以上参照图1所述的图标驱动程序的帮助下创建机器人销售演示以产生终端产品，RSL文件20包括以第一高级编程语言所写的一系列动作(行为)。所述动作或行为序列共同定义了机器人演示。在本例中，机器人销售演示包括一个单个动作，就是由机器人41照相。然而要理解的是，在更为实际的例子中，该情景可能包括要由机器人41执行的数百个动作。
在本例中，用户可以使用图标驱动程序，以便通过从可选图标的选项板只选择“照相”图标17以包含在演示流35中来创建用于拍照的机器人演示。用户18可以将演示流保存为RSL文件20，其被命名为例如“我的演示。rsl”。在XNL实施例中，定义用于“照相”的机器人销售演示的RSL文件20可以包括下列代码序列。
表I
代码行       代码
1            <RSL>
2            <stan xmins＝”www.philips.com/Robots/STAN>
3            <stan:play>Take_Picture</stan:play>
4            </stan>
5            </RSL>
编码语句(1-5)是使用XML实施例的RSL编程语言写的。编码语句(1-5)的一般结构是编程领域中公知的，并且将不进一步描述。然而，其中重要的是下述事实：编码语句3定义了用于与照相即“Take-Picture”相关的高级“行为”的高级语言RSL编程语言命令。然而，编码语句不提供关于照相的“行为”如何由机器人来实施或执行的细节或特性。
关于这一点已描述的是创建用高级RSL编程语言写的高级机器人销售演示。
如上所述，机器人41本身不能处理高级语言RSL命令。机器人41只能借助于低级机器人硬件语言(RHWL)命令进行操纵或控制。因此，本发明提供一种机制以将高级RSL命令转化或映射为能够由机器人本身处理的低级机器人硬件语言命令。用第二高级语言写的RBL行为模板提供了这种映射。也就是说，RBL行为模板包括用于定义如何解释高级语言RSL命令的规则。
在本例中，一个单个RBL行为模板是由用于解释RSL命令“照相”的第二高级编程语言如下创建的：
表II
代码行      代码
1            <RBL>
2            <xsl:template match＝”stan:play”>
3             <xsl:if test＝”parent::nodeO[stan:play＝'take picture']”>
4                <xsl:element name＝”cam:tilt”>40</xsl:element>
5                <xsl:element name＝”cam:pan”>20</xsl:element>
6                <xsl:element name＝”cam:take picture”></xsl:element>
7            <xsl:if>
8            </xsl:template>
9            </RBL>
编码语句(1-9)是使用XSL语言实施例的RBL编程语言写的。编码语句(1-9)的一般结构是编程领域中公知的。表II中重要的语句包括3和4-6。首先，编码语句3定义了“照相”行为的匹配行为模板。根据本发明的原理，在转化过程期间，RSL文件20中的每个行为必须与RBL文件中的匹配行为模板相匹配。RBL文件由大量的模板组成，所述模板为用RSL语言写的所有预期行为定义映射。
在本例中，RSL文件20由转换引擎26分析以选择在其中包括的每个行为。对于每个RSL行为，RBL模板文件22被查询以定位匹配RSL行为的行为模板。一旦找到匹配的行为模板，则与匹配模板相关的规则被用于转换引擎26中以部分地构造RHWL文件30，所述RHWL文件30包括直接控制机器人以例如“照相”的低级硬件命令。再次参照表Ⅱ，用于照相的RBL行为模板包括在4-6行规定的三个规则，其将“Take-picture”以某种方式解释为三个操作：(1)倾斜照相机40度，(2)将照相机摇动镜头(pan)20度以及(3)照相。
通常，XSL转换引擎26具有两个输入，第一输入用于接收高级语言RSL文件20，以及第二输入用于接收RBL模板文件22。XSL转换引擎26是用于根据RBL行为模板执行将RSL行为转换(映射)为使用用于直接控制机器人动作的机器人本机语言的单组低级机器人硬件命令(RHWL文件30)的机构。在本例中，如下是由上述过程产生的RHWL文件30：
表III
代码行       代码
1     <RHWL>
2     <camera xmins＝”www.philips.com/robot/camera/specificCamera”
3            <tilt>40<tilt>
4            <pan>20<pan>
5            <takepicture>
6     </camera>
7     </RHWL>
编码语句(1-7)通过分配单元34被提供给机器人控制器的机器人硬件处理器35单元，并且是使用XML实施例的RHWL编程语句写的。编码语句的结构是编程领域中公知的。值得注意的是语句3和4，它们定义了用于直接控制机器人动作的低级机器人硬件语言语句。具体而言，RHWL语句(3)和(4)指导机器人41倾斜它的头部40度并接着将它的头部摇动镜头20度。
图2中也显示了视频24和音频28文件，所述视频和音频文件可以作为音频25和视频流29包括在机器人演示中，以作为辅助文件下载到机器人控制器41中以用于向机器人演示40提供对视频和音频的加强。
图3是用于所说明例子的图2的过程框42的更详细的说明。值得注意的是，对于本发明的XML实施例，其处理流程类似于使用XSLT转换引擎处理XML资源文档和XSL样式表的技术。如本领域技术人员所公知的那样，XSLT转换引擎用于将XML文档转换为其他类型的文档。特别是，XSLT提供将原始XML数据转换为另一类型的文档如符合规范的HTML文档的能力。XSLT转换引擎通过将XML文档作为输入源并将XSL样式表应用于它以产生转换的输出(例如符合规范的HTML文档)作为最终产品而运行。XSL样式表包含模板，每个模板指示规则并被利用一个匹配模式被指定。当XSLT转换引擎找到匹配XSL样式表中的模板模式的源XML数据时，XSLT转换引擎就将模板的样式规则应用于该数据一提取XML数据，过滤掉不想要的部分，并将数据处理为某种可演示的布局。以类似的方式，如图3中所示RSL文件20是一种类型的XML文档。图3的RBL文件22类似于XSL样式表。根据本发明的原理，当XSLT转换引擎找到匹配模板模式(RBL模板)的源XML数据(RSL命令)时，XSLT转换引擎就将模板的样式规则(RBL模板规定的行为)应用于XML数据(RSL命令)，并从中产生RHWL命令，即RHWL文件30。
因此，已经描述了使用高级编程语言控制机器人的计算机执行的系统和方法，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，已经实现了本发明的系统和方法的某些优点。上述内容只作为本发明的说明性实施例。在不背离本发明的基本原理或范围的情况下，本领域的技术人员能够容易地设想出提供与本实施例类似的功能的可替换方案。

Claims (15)

1.一种用于控制机器人(41)的计算机执行的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将定义所述机器人(41)要执行的行为的第一组编程语句(20)作为第一输入提供给转换引擎(26)；
(b)将被组织为多个定义用于解释所述行为的规则的行为模板的第二组编程语句(22)作为第二输入提供给所述转换引擎(26)；以及
(c)在所述转换引擎(26)中，根据所述定义的规则转换所述行为以产生用于直接控制所述机器人(41)的第三组机器人编程语句(30)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组编程语句(20)是用第一高级编程语言写的。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第二组编程语句(20)是用第二高级编程语言写的。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述第一组编程语句是以可扩展标记语言(XML)的形式，而第二组编程语句是以可扩展样式表语言(XSL)的形式。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述第一组编程语句是以可扩展标记语言(XML)的形式，而第二组编程语句是以可扩展样式表语言(XSL)的形式。
6.如权利要求1所述的方法，其中来自所述第一组编程语句(20)的所述定义的行为之一与来自所述第二组编程语句(22)的所述多个行为模板中的一个或多个相关。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第三组机器人编程语句(30)是用由所述机器人(41)直接可执行的低级机器人硬件语言写的。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述转换步骤(c)进一步包括以下步骤：
(1)从所述第一组机器人编程语句(20)中顺序地选择所述行为；
(2)对于在所述步骤(1)中所选择的每个行为，搜索所述多个行为模板(22)以定位匹配所述选择的行为的行为模板；以及
(3)将在所述步骤(2)中的所述匹配行为模板应用于在所述步骤(1)中所述选择的行为，以产生至少一部分用于直接控制所述机器人(41)的所述第三组机器人命令(30)。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述第一组机器人编程语句(20)是从高级描述文件(20)中选择的。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组机器人编程语句(20)共同包括要由所述机器人(41)执行的机器人演示(40)。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括将所述至少一部分的所述第三组机器人命令(30)与音频(29)和/或视频多媒体流(25)中的至少一个相结合以用于所述机器人演示(40)的步骤。
12.一种借助于高级编程语言控制机器人的系统，该系统包括：
用于将定义所述机器人要执行的行为的第一组编程语句(20)作为第一输入提供给转换引擎(26)的装置；
用于将被组织为多个定义用于解释所述行为的规则的行为模板的第二组编程语句(22)作为第二输入提供给所述转换引擎(26)的装置；以及
用于在所述转换引擎(26)中根据所述定义的规则转换包括的所述行为以产生用于直接控制所述机器人(41)的第三组机器人编程语句(30)的装置。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述用于转换的装置进一步包括：
用于从所述第一组机器人编程语句(20)中顺序地选择所述行为的装置；
用于对所选择的每个行为搜索所述多个行为模板(22)以定位匹配所述选择的行为的行为模板的装置；以及
用于将所述匹配行为模板应用于所述选择的行为以产生至少一部分用于直接控制所述机器人(41)的所述第三组机器人命令(30)的装置。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述行为模板是在第一高级描述文件(20)中搜索的。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述行为是从第二高级描述文件(22)中选择的。
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