CN1748958A - 机器人设备和控制其行为的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种按照周围条件来执行适当行为的机器人设备和用于控制机器人设备的行为的方法。该机器人设备包括:数据获取单元,用于从外部和/或内部获取数据;主体识别单元,用于通过使用从外部获取的数据来识别执行行为的主体;条件识别单元,用于通过使用从外部获取的数据和/或从内部获取的数据来识别外部条件和/或内部条件;行为模式获取单元,用于通过使用从外部获取的数据来获取主体的行为模式;存储单元,用于与条件数据和主体标识数据相关联地存储行为数据;以及行为执行单元,用于执行行为,其中,当主体识别单元识别出主体时,行为执行单元按照标识数据和外部和/或内部条件数据来执行由在存储单元中存储的行为数据所表示的行为。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人设备,它模仿例如人的行为,学习人的行为模式,并且按照所述行为模式来执行动作。本发明也涉及一种控制机器人设备的行为的方法。
背景技术
迄今开发的机器人设备可以根据使用从传感器输入的数据的识别技术来模仿主体的行为。模仿或模拟看(monkey-see)、模拟做(monkey-do)的行为被当作学习行为模式的基础或实现交流的基础。由此,已经进行了研究以向机器人设备提供模仿主体(例如人)的行为的能力,以便实现在机器人设备和主体的行为之间的流畅交流和交互。(参见Christopher Lee,Yangsheng Xu,Online,Interactive Learning of Gestures for Human/Robot Interfaces,1996 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation,Vol 4,pp.2982-2987(Christopher Lee,Yangsheng Xu,人/机器人接口的姿态的在线、交互学习,1996年IEEE机器人和自动化的国际会议,第4卷第2982-2987页);Gordon Cheng,Akihiko Nagakubo and Yasuo Kuniyoshi,Continuous HumanoidInteraction:An Integrated Perspective Gaining Adaptivity,Redundancy,Flexibility-In One Robotics and Autonomous Systems,Vol.37,No.2-3,pp.161-183,November 2001(Gordon Cheng,Akihiko Nagakubo和YasuoKuniyoshi,连续的具有人类特点的交互:集成的远景增益适应性、冗余、灵活性——在一个机器人和独立的***中,第37卷,第2-3号,第161-183页,2001年11月);和Tetsuhari Inamura,Iwaki Toshima,Yoshihiko Nakamura,Acquisition of Humanoid Behavior and Creation of Primitive Symbols,Based onMimesis,16th Annual Conference of Janese Society for Artificial Intelligence,2002,Proc.No.1D1-02(Tetsuhari Inamura,Iwaki Toshima,Yoshihiko Nakamura,基于模仿获得具有人类特点的行为和建立原始符号,日本人工智能第16次年会,2002年,会刊第1D1-02号))。
这些技术使得机器人设备如果它们模仿主体动作则能够存储行为模式。如果行为模式被存储,则它们可以容易地被读取,并且机器人可以执行所述行为,其中每个行为模式都具有分配给它的行为ID。
发明内容
但是,没有人曾经提出过机器人设备何时执行它所学到的行为以及它在什么条件下执行该行为。
考虑到上述情况而作出本发明。期望提供一种机器人设备,它可以按照周围条件来执行适当的行为,并且也期望提供一种控制机器人设备的方法。
为了实现上述的目的,按照本发明的一种机器人设备包括:数据获取部件,用于从外部和/或内部获取数据;主体识别部件,用于通过使用从外部获取的数据来识别执行行为的主体;条件识别部件,用于通过使用从外部获取的数据和/或从内部获取的数据来识别外部条件和/或内部条件;行为模式获取部件,用于通过使用从外部获取的数据来获取主体的行为模式;存储部件,用于与条件数据和主体标识数据相关联地存储行为数据,所述行为数据表示主体的行为,所述条件数据表示机器人设备的外部和/或内部条件,所述主体标识数据用于标识主体;以及行为执行部件,用于执行行为。当主体识别部件识别出主体时,行为执行部件按照标识数据以及外部和/或内部条件数据来执行由在存储部件中存储的行为数据所表示的行为。
按照本发明的一种用于控制机器人设备的方法包括步骤:从机器人设备的外部和/或内部获取数据的步骤;通过使用从外部获取的数据来识别执行行为的主体的步骤;通过使用从外部获取的数据和/或内部获取的数据来识别外部条件和/或内部条件的步骤;通过使用从外部获取的数据来获取主体的行为模式的步骤;与条件数据和主体标识数据相关联地在存储部件中存储表示主体的行为的行为数据的步骤,所述条件数据表示机器人设备的外部和/或内部条件,所述主体标识数据用于标识主体;以及当识别出主体时,按照主体的标识数据和机器人设备的外部和/或内部条件来执行由在存储部件中存储的行为数据所表示的行为的步骤。
在均按照本发明的所述机器人设备和用于控制其行为的方法中,与主体和机器人设备的内部和外部的条件两者都相关联地存储表示主体的行为的数据。所述机器人设备根据所述数据来识别主体,并且在特定的内部或外部条件中执行与在那个特定条件中主体将进行的相同的行为。因此,主体可以感觉到该机器人设备比其它机器人设备更为友好。
附图说明
图1是图解按照本发明的一个实施例的机器人设备的外观的透视图;
图2是示意性地表示机器人设备执行的功能的方框图;
图3是详细示出被并入机器人设备内的控制单元的方框图;
图4是机器人设备具有的行为控制***的方框图;
图5是说明行为控制***的存储机制的流程图;以及
图6是说明行为控制***如何使得机器人设备执行行为的流程图。
具体实施方式
将参照附图来说明本发明的一个实施例。所述实施例是具有两条腿的、行走的机器人设备,它通过模仿行为而学习主体的行为。这是一种在人的生活环境和人的日常生活中支持和辅助人的实用有益机器人。它也是可以执行人的基本行为的娱乐机器人。将首先说明这种机器人设备的配置,并且然后详细说明用于控制机器人设备的行为的方法。
(1)机器人设备的配置
首先,将说明机器人设备的配置。如图1所示,按照这个实施例的机器人设备1具有主干单元2、头单元3、两个臂单元4L和4R、两个腿单元5L和5R。头单元3、两个臂单元4L和4R以及两个腿单元5L和5R都连接到主干单元2。(在图1中和一些其它附图中,“L”表示左,“R”表示右)
机器人设备1具有相对于其关节的几个自由度,这被示意性地示出在图2中。支持头单元3的颈部关节具有三个自由度。如图2所示,通过颈关节侧转轴(yaw axis)101、颈关节俯仰轴(pitch axis)102和颈关节横摇轴(rollaxis)103来实现三个自由度。
构成上肢的臂单元4L和4R的每个都由肩关节俯仰轴107、肩关节横摇轴108、上臂侧转轴109、肘关节俯仰轴110、前臂侧转轴111、腕关节俯仰轴112、腕关节横摇轴113和手部114构成。手部114实际上是多关节、多自由度的结构。尽管如此,在此将手部114的运动当作具有零自由度。这是因为它对于控制机器人设备1的位置或行走没有什么作用。因此,臂单元4L和4R的每个都具有7个自由度。
主干单元2具有三个自由度,这是通过主干俯仰轴104、主干横摇轴105和主干侧转轴106来实现的。
构成下肢的腿单元5L和5R的每个都包括臀关节侧转轴115、臀关节俯仰轴116、臀关节横摇轴117、膝关节俯仰轴118、踝关节俯仰轴119、踝关节横摇轴120和脚部121。在本说明书中,在臀关节俯仰轴116和臀关节横摇轴117之间的交点限定了机器人设备1的臀关节的位置。人的脚部是具有许多关节的结构,因此有许多自由度。尽管如此,机器人设备1的脚部121也被假定为具有零自由度。因此,腿单元5L和5R具有六个自由度。
总之,机器人设备1总共具有32个自由度(=3+7×2+3+6×2)。尽管如此,作为娱乐机器人的机器人设备1不限于具有32个自由度的机器人设备。不必说,设备1可以根据限制设计和制造的条件或规格要求而具有更多或更少的自由度。
机器人设备1所具有的每个自由度是通过一个传动器来实现的。期望所述传动器小和轻。否则,机器人设备1不能满足它看起来像人的要求,没有显著的膨胀,并且应当在适当的位置被控制来走动,虽然它是双腿的不稳定结构。
图3是机器人设备1的控制***配置的示意图。如图3所示,所述控制***包括思维控制模块200和运动控制模块300。思维控制模块200动态地响应于用户已经做出的输入。根据所述输入等,模块200确定设备1应当表达的情感,并且使得设备1表达那个情感。运动控制模块300控制传动器350等,它们合作来移动机器人设备1的不同身体部分。
思维控制模块200包括中央处理单元(CPU)211、随机存取存储器(RAM)212、只读存储器(ROM)213和外部存储器(例如硬盘驱动器)214。模块200是独立驱动的、数据处理器,它可以自己处理数据。CPU211响应于用户输入等而执行操作,以确定设备1应当表达的情感,并且使得设备1表达这个情感。
思维控制模块200接收来自视频数据输入装置251的视频数据和来自音频数据输入装置252的音频数据。根据这些外部刺激,模块200确定机器人设备1应当示出的情感和意愿。视频数据输入装置251具有两个电荷耦合器件(CCD)摄像机,即左侧摄像机和右侧摄像机。音频数据输入装置252具有例如多个麦克风。思维控制模块200可以通过具有扬声器的音频输出装置253来输出语音。
思维控制模块200向运动控制模块300发出指令,以便执行运动序列或行为序列,即,根据所确定的意愿来移动机器人设备1的肢体。
运动控制模块300包括CPU311、RAM312、ROM313和外部存储装置(例如硬盘驱动器)314。模块300是独立驱动的、数据处理器,它可以自己处理数据。如上所述,CPU311控制机器人设备1的坐标移动。外部存储装置314可以存储例如走动模式和目标ZMP轨道——两者均在离线模式下计算——以及其它的一些行为程序项。ZMP是在地板上的点,在此移动是零,这是由设备1在走动时从地板接收的反作用力导致的。ZMP轨道是当机器人设备1走动时ZMP所限定的轨迹。ZMP和ZMP轨道如何被应用来确定行走的机器人的稳定性被描述在Miomir Vukobratovic,Legged LocomotionRobots(有腿的运动机器人)(由Ichiro Katoh等翻译,Walking Robots andArtificial Legs(行走机器人和人造腿),Nikkan Kogyo Shimbun有限公司)。
运动控制模块300包括总线接口(I/F)301。总线接口301连接各种装置,诸如传动器350、位置传感器351、地板接触传感器352和353以及电源控制装置354。注意传动器350实现了图2所示的机器人设备1具有的关节的自由度。位置传感器351检测主干单元2的位置和倾角。地板接触传感器352和353检测机器人设备1的左右脚接触或离开地板。电源控制装置354控制诸如电池的电源。位置传感器351是例如加速度传感器和回转传感器(gyrosensor)的组合。地板接触传感器352和353是近程传感器(proximity sensor)或微型开关。
思维控制模块200和运动控制模块300被提供在同一平台上。总线接口201和202连接模块200和300。
运动控制模块300控制传动器350,以便设备1的身体的多个部分可以协调地移动。更精确而言,CPU311从外部存储装置314获取由思维控制模块200选择的行为模式或者内部产生行为模式。按照行为模式,CPU311设置脚部移动、ZMP轨道、主干移动、上肢移动、臀部水平位置、臀部高度等。CPU311然后向传动器350传送命令值。命令值控制传动器350,由此机器人设备1按照CPU311已经设置的数据项来执行行为。
CPU311从由位置传感器351输出的信号检测机器人设备1的主干单元2的位置和倾角。CPU311从由地板接触传感器352和353输出的信号来确定腿单元5L和5R是离开还是位于地板上。于是,CPU311可以实现自适应控制,使得机器人设备1的身体的多个部分协调地移动。
而且,CPU311以下述方式控制机器人设备1的位置和行为:使得ZMP保持接近ZMP稳定区域的中心。
运动控制模块300向思维控制模块200提供用于示出机器人设备1已经如何忠实地如思维控制模块200指令的那样行动的数据。换句话说,运动控制模块300向思维控制模块200通知它已经获得的结果。
于是,机器人设备1可以根据控制程序来确定内部条件和外部条件,并且可以执行自主的行为。
(2)机器人设备的行为控制方法
将说明用于控制机器人设备1的行为的方法。图4是描述机器人设备1具有的行为控制***40的方框图。行为控制***40包括CCD摄像机41、麦克风42、条件识别器43、人识别器44、行为模式获取装置45、存储装置46、行为执行装置47和传动器48。CCD摄像机41等同于图3所示的视频数据输入装置251,麦克风42等同于音频数据输入装置252。条件识别器43识别机器人设备1周围的条件。人识别器44识别主体,即人。行为模式获取装置45当机器人设备1模仿人所做的行为时获取行为模式。存储装置46相关联地存储所获取的行为数据、关于主体的标识数据以及条件数据。行为执行装置47按照主体的标识数据和条件数据来执行由在存储装置46中存储的行为数据所表示的行为。传动器48由行为执行装置47控制。
条件识别器43从CCD摄像机41和麦克风42的输出识别机器人设备1周围的条件。它产生表示它已经识别的条件的条件数据。条件数据包括诸如桌子、椅子之类的物体的标识数据以及关于在机器人设备1周围存在的任何东西的视频数据和音频数据。它也包括示出在机器人设备1中提供的电池的剩余电量的数据和诸如与关节角度相关的一组向量的其他数据。
人识别器44使用诸如CCD摄像机41和麦克风42的传感器来通过面部识别和语音识别而识别主体(人)。在识别人时,人识别器44产生人的ID数据。
如上所述,行为模式获取装置45当机器人设备1模仿人的行为时获取行为模式。所获取的行为模式被用于使得机器人设备1执行所述行为。装置45以在上述的非专利文件中公开的方式来映射所获取的行为模式,然后分别向行为数据项分配行为ID。所述行为数据项——每个被分配了一个行为ID——被输出到存储装置46。
存储装置46从行为模式获取装置45接收行为数据项。它与当获取行为数据项时获得的条件数据项和人ID数据项相关联地存储每个行为数据项。按照例如保存行为ID和人ID之间的关系的规则库,将所述行为数据项与人ID数据项相关联。
行为执行装置47接收来自条件识别器43的条件数据和来自人识别器44的人ID。它从存储装置46读取与行为ID相关的条件数据和人ID。它然后按照被分配了行为ID的行为数据来控制传动器48。
将参照图5和6的流程图来说明行为控制***40如何控制机器人设备1的行为。图5是说明行为控制***40如何存储数据的流程图。图6是说明***40如何使得机器人设备执行行为的流程图。
首先,将说明行为控制***40如何存储数据。人可以在机器人设备1的CCD摄像机41之前执行行为。在这种情况下,人识别器44识别人,条件识别器43识别人执行行为的条件(步骤S51)。条件识别器43通过使用CCD摄像机41、麦克风42等来识别例如当人正在执行行为时在人周围存在的物体。
当条件识别器43正在识别条件时,行为模式获取装置45获取当机器人设备1模仿人正在执行的行为时的人的行为模式(步骤S52)。只要人的图像处在由CCD摄像机41拍摄的图像中,则记录人的行为。人或操作员可以指定装置45开始获取行为模式的时间和装置45结束获取行为模式的时间。行为模式获取装置45当人例如说“开始获取行为模式”时开始获取模式,而当人说“停止获取行为模式”时停止获取模式。装置45于是获取行为模式。装置45可以当操作员进行相同的口头指令时获取模式。或者,装置45可以当人的手或脚移动的加速度在绝对值上超过预定的门限值时开始或停止获取模式。
当人的图像不再位于由CCD摄像机41拍摄的图像中时,存储装置46存储已经从行为模式获取装置45输出的关于人的行为数据。更准确地说,存储装置46与表示在给定点的条件的数据相关联地以及与人的人ID相关联地存储行为数据。
假定A先生在看到绿色胡椒时在他的面前挥动右手,因为他当看见他不喜欢的任何东西时习惯性地如此。于是,人识别器44从A先生的脸的图像和A先生发出的声音产生A先生的人ID。同时,条件识别器43在使用已经存储的图像识别出绿色胡椒的图像时产生绿色胡椒的物体ID。而且,行为模式获取装置45在获取了A先生的在他面前挥动右手的行为模式时产生行为ID。组合地存储A先生的人ID、作为条件数据的绿色胡椒的物体ID和右手挥动的行为ID。
将说明行为控制***40如何使得机器人设备1执行行为。假定在机器人设备1的CCD摄像机41拍摄的图像中出现人的图像。则,人识别器44识别出该人,并且条件识别器43识别出该人周围的当前条件(步骤S61)。条件识别器43从例如由CCD摄像机41提供的、在人周围存在的一些物体的图像和由麦克风42检测的这些物体发出的声音来识别条件。
行为执行装置47接收来自条件识别器43的条件数据和来自人识别器44的人ID。按照所述条件数据和人ID,装置47从存储装置46搜索人已经执行的行为(步骤S62)。即,根据人的人ID和表示人已经执行了所述行为的条件的数据来搜索所述行为。
确定是否存储装置46存储了对应于条件数据和人ID的行为ID(步骤S63)。如果在步骤S63中为否,则操作返回步骤S61,其中,条件识别器43识别当前的条件。如果在存储装置46中的规则库包含对应于该条件数据和人ID的行为ID,则行为执行装置47输出行为ID(步骤S64)。装置47按照对应于行为ID的行为数据来控制传动器48。结果,机器人设备1模仿该人而执行所述行为。
假定如上所述A先生在看见绿色胡椒时在他的面前挥动右手,因为他当看见他不喜欢的任何东西时习惯性地如此。那么条件识别器43和人识别器44向行为执行装置47输出绿色胡椒的物体ID和A先生的人ID,行为执行装置47输出右手挥动的行为ID,它仅仅与绿色胡椒的物体ID和A先生的人ID相关联。因此,装置47从存储装置46获取以行为ID标识的行为数据。
如上所述,在按照本发明的机器人设备和控制所述设备的方法中,相关联地存储行为数据和条件数据,其中所述行为数据示出了主体的行为,所述条件数据表示主体执行行为的条件。因此,机器人设备1可以当机器人设备面对相同条件时模仿主体而行动。因为机器人设备1相关联地存储了行为数据和条件数据,因此它具有与主体相同的习惯。机器人设备1看起来对于主体友好。
在本实施例中,条件数据是诸如物体ID的外部数据。相反,条件数据可以是内部数据,诸如在电池中的剩余电量或一组与关节角度相关联的向量。如果是这样,则机器人设备1可以执行更复杂的行为。
条件数据可以是表示例如背景的实况视频数据。在这种情况下,首先获得图像颜色的直方图(histogram),并且将直方图的各个分量的值编译成向量。
可以更新在存储装置46中的规则库。除了诸如人ID的标识符之外的所有的数据项都随着时间改变。由此,每次更新规则库时可以计算每个数据项的平均值。
为了输出行为ID,与行为ID相关联的人ID和数据项不必彼此一致。足够的是,根据包括所有元素的向量来找到在存储装置中存储的向量和在当前时刻的向量之间的蜂鸣音距离(humming distance),并且改变输出行为的概率。
而且,可以从在存储装置46中存储的条件数据项和行为数据项提取一般规则。假定A先生、B先生和C先生每当他们看见绿色胡椒时可以习惯地在面前挥动右手。那么可以编程使得机器人设备当它看见绿色胡椒时在其面前挥动右手,而不论是否主体是A先生、B先生或C先生。
本实施例使用与对应的条件数据相关联地保存每个行为ID的规则库。相反,行为ID和条件数据可以在神经网络中耦接。在分层的神经网络中,可以向输入层输入人ID和条件数据,并且可以从输出层输出行为ID。
按照上述的实施例的机器人设备按照由行为模式获取装置45获取的模式来模仿人行动。尽管如此,机器人设备也可以从诸如狗和猫之类的动物或从其他的机器人设备获取行为模式,并且可以模仿动物或其他机器人设备。
本领域的技术人员应当明白,可以根据设计要求和其他因素来进行各种修改、组合、子组合和替代,只要它们在所附的权利要求书或其等同内容的范围内。
本发明包含与2004年9月14日在日本专利局提交的日本专利申请JP2004-267401有关的主题,其整体内容通过引用被整体并入在此作为参考。
Claims (9)
1.一种机器人设备,包括:
数据获取部件,用于从外部和/或内部获取数据;
主体识别部件,用于通过使用从外部获取的数据来识别执行行为的主体;
条件识别部件,用于通过使用从外部获取的数据和/或从内部获取的数据来识别外部条件和/或内部条件;
行为模式获取部件,用于通过使用从外部获取的数据来获取主体的行为模式;
存储部件,用于与条件数据和主体标识数据相关联地存储行为数据,所述行为数据表示主体的行为,所述条件数据表示机器人设备的外部和/或内部条件,所述主体标识数据用于标识主体;以及
行为执行部件,用于执行行为,
其中,当主体识别部件识别出主体时,行为执行部件按照标识数据以及外部和/或内部条件数据来执行由在存储部件中存储的行为数据所表示的行为。
2.按照权利要求1的机器人设备,其中,所述数据获取部件具有用于拾取图像的成像部件和用于收集声音的声音收集部件。
3.按照权利要求2的机器人设备,其中,所述行为模式获取部件在主体的图像位于由数据获取部件所获取的图像中时或在被口头指令指示如此进行时保持获取行为模式。
4.按照权利要求1的机器人设备,其中,当所述主体正在执行行为时,所述存储部件记录表示在任意给定时间存在于所述机器人设备的外部和/或内部的条件的条件数据。
5.一种控制机器人设备的行为的方法,包括步骤:
从机器人设备的外部和/或内部获取数据;
通过使用从外部获取的数据来识别执行行为的主体;
通过使用从外部获取的数据和/或从内部获取的数据来识别外部条件和/或内部条件;
通过使用从外部获取的数据来获取主体的行为模式;
与条件数据和主体标识数据相关联地在存储部件中存储表示主体的行为的行为数据,所述条件数据表示机器人设备的外部和/或内部条件,所述主体标识数据用于标识主体;以及
当识别出主体时,按照主体的标识数据和机器人设备的外部和/或内部条件来执行由在存储部件中存储的行为数据所表示的行为。
6.按照权利要求5的用于控制机器人设备的行为的方法,其中,获取数据的步骤具有拾取图像的步骤和收集声音的步骤。
7.按照权利要求6的用于控制机器人设备的行为的方法,其中,在获取行为模式的步骤中,在主体的图像位于由数据获取部件所获取的图像中时或在口头指令保持指示获取数据时连续地获取行为模式。
8.按照权利要求5的用于控制机器人设备的行为的方法,其中,在存储行为数据的步骤中,用于表示当主体正在执行行为时在任何给定时间存在于机器人设备的外部和/或内部的条件的条件数据被存储在存储部件中。
9.一种机器人设备,包括:
数据获取单元,用于从外部和/或内部获取数据;
主体识别单元,用于通过使用从外部获取的数据来识别执行行为的主体;
条件识别单元,用于通过使用从外部获取的数据和/或从内部获取的数据来识别外部条件和/或内部条件;
行为模式获取单元,用于通过使用从外部获取的数据来获取主体的行为模式;
存储单元,用于与条件数据和主体标识数据相关联地存储行为数据,所述行为数据表示主体的行为,所述条件数据表示机器人设备的外部和/或内部条件,所述主体标识数据用于标识主体;以及
行为执行单元,用于执行行为,
其中,当主体识别单元识别出主体时,行为执行单元按照标识数据以及外部和/或内部条件数据来执行由在存储单元中存储的行为数据所表示的行为。
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