TWI555524B - 機器人的行動輔助系統 - Google Patents

Description

機器人的行動輔助系統

本發明是有關於一種機器人系統，且特別是有關於一種具有至少二機械臂之機器人的行動輔助系統。

歐洲核准專利公開號2361734提出一種輪椅用作步行輔助型機器人，其傳動部分配備一個驅動馬達和車輪上安裝的框架。支架沿著導軌可以直線向上和向下移動，結合設計為使用者的外骨骼降低身體，增強肌肉力量，或幫助行走或康復。然而，此設計只為單一行動輔助功能，卻無其他整合功能。

中國專利公開號202397747提出一種協助老人與協助殘障機器人，利用所提出的三角連動輪，能夠在任何路況下行走，其功能包括來訪客人識別、識別物品抓取、輔助行走、物品搬運等等。然而，此專利並無提及如何輔助使用者，若是為機器人自主導引，就失去使用者靈活改變方向的意義。

中國專利公開號202015325提出一種帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，根據觸滑覺傳感器偵測的信號來對使用者的行為或狀態進行判斷並輔助。此專利雖可實現摔倒趨勢的及 時檢測，然而，此設計也只為單一行動輔助功能所設計，並無其他功能加入整合。

在過去文獻(“Dual-arm Service Robots for Mobile Operation in Indoor Environment,”in Proceeding of the 2012 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Chengdu, China, 2012, pp.1898-1903)中，Qi等人提出一種機器人，其是利用立體視覺系統以及本身雙機械手臂，以達到視覺伺服雙手抓取的任務。此外，此機器人可以自主學習未知的複雜的家庭環境，建立分層地圖，並結合動態對象追蹤策略演算法達到動態導航的功能。然而，此機器人並無結合輔助使用者行走的功能。

在另一過去文獻(“Development of smart mobile walker for elderly and disabled,”in Proceeding of the 2013 IEEE The 22nd IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication Gyeongju, Korea, August 26-29, 2013, pp. 300-301)中，Yuk等人提出一種行動輔助機器人設計，使用力感測器量測使用者外力，藉此順應使用者意向前進。雖然此系統另外具有坐姿到站立的支持機制，然而，此設計也只為一行動輔助功能所設計，並無其他功能加入整合。

本發明提供一種機器人的行動輔助系統，其中機器人具有雙機械臂用以抓取物品，且此雙機械臂還可結合成扶持之把 手，使機器人本體轉變為一台行走輔具而提供使用者行走上的輔助。如此一來，同一個機器人上可兼具抓取與行走輔助的功能。

本發明提出一種機器人的行動輔助系統，其中機器人具有第一機械臂以及第二機械臂。此行動輔助系統包括接收單元、抓取模式模組、行走輔助模式模組以及控制單元。接收單元用以接收命令。抓取模式模組用以執行抓取模式。行走輔助模式模組用以執行行走輔助模式。控制單元耦接於接收單元，並根據命令控制抓取模式模組執行抓取模式或行走輔助模式模組執行行走輔助模式。其中，當抓取模式模組執行抓取模式時，抓取模式模組將第一機械臂與第二機械臂之間的雙臂環扣機構，進行解除環扣。當行走輔助模式模組執行行走輔助模式時，行走輔助模式模組將第一機械臂與第二機械臂之間的雙臂環扣機構，進行環扣鎖固。

基於上述，在本發明的機器人的行動輔助系統中，行動輔助系統可配合使用者的需求轉換操作模式，執行抓取模式或行走輔助模式。當行動輔助系統執行抓取模式時，機器人可透過第一機械臂及第二機械臂來進行取物遞物的任務。另一方面，當使用者需要行走輔助時，行動輔助系統會轉換成執行行走輔助模式，此時第一機械臂及第二機械臂上的環扣機構將會環扣以提供使用者攙扶。如此一來，本發明可實現在同一個機器人上同時具有協助取物遞物及行走輔助的功能。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉 實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧機器人

102‧‧‧左右機械臂

10a‧‧‧局部

12、14、16、18‧‧‧區塊

12a、12b‧‧‧路徑

20‧‧‧雙臂環扣機構

220‧‧‧右機械臂

222‧‧‧右機械臂環扣機構

224a‧‧‧小圓柱機構

224b‧‧‧大圓柱機構

240‧‧‧左機械臂

242‧‧‧左機械臂環扣機構

244a‧‧‧小凹槽

244b‧‧‧大凹槽

250‧‧‧力矩感測單元

400‧‧‧行動輔助系統

405‧‧‧影像擷取單元

410‧‧‧接收單元

420‧‧‧控制單元

430‧‧‧抓取模式模組

440‧‧‧行走輔助模式模組

450‧‧‧位移控制單元

460‧‧‧里程計

503‧‧‧特徵點資料庫

504‧‧‧定位與地圖建立單元

505‧‧‧擴展卡爾曼濾波器

506‧‧‧路徑追蹤控制單元

508‧‧‧物體偵測單元

510‧‧‧抓取路徑規畫單元

602‧‧‧力感測單元

603‧‧‧力前處理單元

6032‧‧‧低通濾波單元

6034‧‧‧力補償單元

6036‧‧‧座標轉換單元

604‧‧‧順應性運動控制單元

606‧‧‧光測距單元

608‧‧‧障礙物閃避控制單元

610‧‧‧速度融合控制單元

M1~M5‧‧‧輔助模式

O‧‧‧中心

P‧‧‧使用者

R1~R9‧‧‧區域

S1‧‧‧影像資訊

S2‧‧‧深度資訊

S302~S310‧‧‧雙臂環扣機構的環扣鎖固流程各步驟

S312~S322‧‧‧雙臂環扣機構的解除環扣流程各步驟

S5042、S5044、S5046、S512、S514、S516、S518、S520、S522‧‧‧步驟

S702~S716‧‧‧本實驗例行動輔助系統所執行的各步驟

圖1A是依照本發明的一實施例的機器人的行動輔助系統示意圖。

圖1B與圖1C為說明改變機器人形體上的造形的示意圖。

圖2A是圖1B與圖1C的機器人的局部放大圖。

圖2B至圖2D依序為環扣鎖固的示意圖。

圖3A是依照本發明的一實施例機器人解除/環扣雙臂環扣機構的示意圖。

圖3B至圖3C是依照本發明的一實施例的雙臂環扣機構的動作流程圖。

圖4是依照本發明的一實施例的一種行動輔助系統方塊圖。

圖5A是依照本發明的一實施例的抓取模式模組的方塊圖。

圖5B為說明本發明一實施例的全向式移動同時定位與地圖建立的示意圖。

圖5C為說明本發明一實施例的視覺伺服抓取的示意圖。

圖6A是依照本發明的一實施例的行走輔助模式模組的方塊圖。

圖6B是依照本發明的一實施例的行走輔助模式模組運作的示意圖。

圖6C為說明本發明的一實施例的行走意圖估測方法的示意圖。

圖6D依照本發明的一實施例的光感測範圍的示意圖。

圖7為本實驗例行動輔助系統所執行的各步驟流程圖。

圖8(a)至圖11(i)為本實驗例行動輔助系統所執行的情境影像。

圖12為本實驗例機器人的行走路徑示意圖。

本實施例的機器人具有第一機械臂以及第二機械臂。為了方便說明，本實施例的機器人具有右機械臂以及左機械臂。其中，右機械臂以及左機械臂可以環扣鎖固以及解除環扣，藉以執行機器人不同的運作。此外，本實施例中右機械臂以及左機械臂中的設計為舉例說明，在其他實施例中，右機械臂以及左機械臂的設計也可交換。為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A是依照本發明的一實施例的機器人的行動輔助系統示意圖。請參照圖1A，本實施例的機器人的行動輔助系統具有兩種操作模式，分別為抓取模式及行走輔助模式。其中，機器人的，右機械臂以及左機械臂上分別具有雙臂環扣機構，而機器人可因應使用者的需求(如區塊12)，藉由左右機械臂的變形而改變機器人形體上的造形(如區塊14)，來轉換機器人的操作模式，例 如抓取模式(如區塊16)或行走輔助模式(如區塊18)，進而達成個別任務。

舉例來說，圖1B與圖1C為說明改變機器人形體上的造形的示意圖。當使用者命令機器人取物品或遞物品時，此時機器人會轉換成抓取模式來達成，其中機器人10的左右機械臂102為分離，如圖1B所示。當使用者需要機器人行走協助時，機器人則變換成行走輔助模式來輔助使用者行走，其中機器人10的左右機械臂102環扣，以供使用者P攙扶，如圖1C所示。此外，機器人10的左右機械臂102分別包括上手臂以及下手臂，且左右機械臂102的自由度分別設計為6自由度，因此，左右機械臂102分別可靈活地轉動及抓取物品。此外，機器人10的底座配置有四輪全向式移動(steer-and-drive)平台，其可提供機器人10全向式旋轉及行走。

底下將先介紹機器人的雙臂環扣機構，再詳細說明機器人的行動輔助系統如何搭配雙臂環扣機構來轉換機器人的操作模式。

圖2A是圖1B與圖1C的機器人10的局部10a之放大圖。請參照圖2A，機器人的雙臂環扣機構20具有右機械臂環扣機構222(斜線繪示)以及左機械臂環扣機構242(斜線繪示)，其中右機械臂環扣機構222配置於右機械臂220上，左機械臂環扣機構242配置於左機械臂240上。

在行走輔助模式時，機器人之雙臂環扣機構20會變形為 一個類似於握把的構型，以提供使用者行走時之扶持。進一步而言，此時的右機械臂環扣機構222會做為扣環，其形狀是以兩個圓柱機構，即小圓柱機構224a與大圓柱機構224b所組成。半徑較小的小圓柱機構224a的功用是在與左機械臂環扣機構242結合時，使右機械臂220與左機械臂240在X軸方向(如圖2B所示)做固定，使左右機械臂(即右機械臂220與左機械臂240)不會前後移動，半徑較大的大圓柱機構224b則是對於Z軸方向(如圖2B所示)做固定，使左右機械臂不會造成上下移動。

另一方面，左機械臂環扣機構242配置有扣環的凹槽244，主要設計成兩段半圓形凹槽，上方較大半徑的大凹槽244b為緩衝用，讓右機械臂環扣機構222上的小圓柱機構224a以較平滑的方式套入下方較小半徑的小凹槽244a，使得左右機械臂在X軸方向被鎖定。值得一提的是，小凹槽244a中還設計有一個半徑與右機械臂環扣機構222上的大圓柱機構224b半徑相同的圓形內部凹槽(未繪示)，也就是此內部凹槽可符合大圓柱機構224b的大小。而此設計主要用意是使得左右機械臂利用一個平行於左右機械臂的下手臂的位移，能夠將右機械臂環扣機構222上的大圓柱機構224b與此圓形內部凹槽做固定。此時，由於小凹槽244a之半徑小於右機械臂環扣機構222的大圓柱機構224b之半徑，所以使得左右機械臂在Z軸方向能夠固定，以完成兩段式鎖定的概念，使左右機械臂成為一個穩固的輔助握把。圖2B至圖2D依序為上述環扣鎖固的示意圖，用以表示左右機械臂進行雙臂環扣機 構的鎖固，而圖2D至圖2B分別為解除環扣的示意圖，用以表示左右機械臂恢復到雙臂獨立運作的狀態。

圖3A是依照本發明的一實施例機器人解除/環扣雙臂環扣機構的示意圖。圖3B和圖3C是依照本發明的一實施例的雙臂環扣機構的動作流程圖，其中步驟S302~S310表示雙臂環扣機構的環扣鎖固流程，步驟S312~S320表示雙臂環扣機構的解除環扣流程。

請參照圖2A、圖3A與圖3B，步驟S302中，右機械臂220與左機械臂240分別為分離的狀態。步驟S304中，行動輔助系統會根據一個預設的環扣緩衝點來規劃右機械臂220與左機械臂240的移動路徑。詳細而言，本實施例是以右機械臂220基準，其中預設的緩衝點是設置在右機械臂環扣機構222之圓柱機構的下緣。在此，由於本實施例的力與力矩感測單元250(於後詳述)是設計在右機械臂220上方(但不限於此)，因此考慮到簡化計算的施力，故將緩衝點設定這個位置，且將右機械臂220以上下手臂成90度的正L形方式設置。而左機械臂240平行於右機械臂220，使得左機械臂環扣機構242的大凹槽244b與右臂的小圓柱機構224a對準，運動方式則以設卡式座標點為路徑點的方式使機器人左右機械臂之逆向運動學進行移動，藉以在左右機械臂不互相碰觸的情況下到達環扣緩衝點。

接著，如步驟S306所示，行動輔助系統會進行環扣鎖定之調整。詳細而言，行動輔助系統根據右機械臂環扣機構222及 左機械臂環扣機構242的相互位置定義出環扣鎖定點的相對位置，其中行動輔助系統會利用各自由度角度來控制進行微調的動作。此動作可分成兩個步驟，首先，右機械臂環扣機構222相對於左機械臂環扣機構242是在正上方的位置，因此行動輔助系統會先調整左機械臂240，使得左右機械臂在X軸方向上固定(如步驟S307)，再微調右機械臂環扣機構222及左機械臂環扣機構242使其左右機械臂在Z軸方向上得以固定(如步驟S308)。當然，本實施例並不限制步驟S307與步驟S308的先後順序。此時，行動輔助系統即完成左右機械臂的環扣鎖固(如步驟S310)

至於的解除環扣流程，請參照圖3A與圖3C，行動輔助系統解除環扣的方式與行動輔助系統鎖固環扣的流程相反，也就是說，首先，左右機械臂為環扣鎖固狀態(步驟S312)。接著，行動輔助系統會進行環扣解除鎖固之調整(步驟S314)，其中包括將左右機械臂在Z軸方向上解除鎖定(步驟S315)以及左右機械臂在X軸方向上解除鎖定(步驟S316)。類似地，本實施例並不限制步驟S315與步驟S316的先後順序。之後，行動輔助系統會規劃路以將左右機械臂分開(步驟S318)，以使左右機械臂從環扣鎖固狀態回到解除環扣狀態，也就是左機械臂與右機械臂回到分離的狀態(步驟S320)。

底下將詳細說明機器人的行動輔助系統如何搭配雙臂環扣機構來轉換機器人的操作模式。

圖4是依照本發明的一實施例的一種行動輔助系統方塊 圖。請參照圖4，行動輔助系統400包括接收單元410、控制單元420、抓取模式模組430及行走輔助模式模組440，這些單元及模組的功能詳細說明如下。

接收單元410可接收使用者下達的命令，使控制單元420執行抓取模式模組430或行走輔助模式模組440。在本實施例中，使用者所下達的命令例如是令機器人執行抓取模式的命令，或者令機器人執行行走輔助模式的命令。此命令可以多種形式呈現，例如，使用者可透過語音方式呼叫機器人抓取物品或提供輔助功能，而機器人可透過語音辨識模組將使用者的語音傳給接收單元410，以使控制單元420執行對應的操作。或者，使用者也可透過電子裝置(例如平板電腦、手機、電腦等)來發送訊號給接收單元410，進而使控制單元420執行對應的操作。

控制單元420耦接於接收單元410。控制單元420可為硬體及軟體所實現的功能模組。所述硬體可包括中央處理器、晶片組、微處理器等具有運算功能的硬體設備或上述硬體設備的組合，而軟體則可以是作業系統、驅動程式等等。在此，控制單元420可接收來接收單元410所接收的命令，以控制抓取模式模組430或行走輔助模式模組440執行對應的運作。也就是說，當接收單元410接收使用者所下達的執行抓取模式的命令時，控制單元420可根據此命令抓取模式模組430開始執行；另一方面，當接收單元410接收使用者所下達的執行行走輔助模式的命令，控制單元420可根據此命令行走輔助模式模組440開始執行。

舉例來說，當使用者下達的訊號為執行抓取模式的命令時，其中此命令可包括物體及物體之位置等資訊，因此抓取模式模組430會開始執行，以讓機器人根據此命令行走到目標物體之位置，以抓取目標物體。另一方面，當使用者下達的訊號為執行行走輔助模式的命令時，行走輔助模式模組440開始執行，以讓機器人根據此命令，將機器人的雙臂環扣來提供使用者攙扶的功能，且機器人還可同時根據使用者行走的速度和週遭環境調整機器人的移動速度，藉以輔助使用者行走。

底下將搭配圖5A至圖6B來分別詳細說明抓取模式模組430與行走輔助模式模組440的運作。

當使用者下達的命令為執行抓取模式的命令時，抓取模式模組430會開始執行，且此時機器人的左右機械臂會切換成解除環扣狀態。

圖5A是依照本發明的一實施例的抓取模式模組430的方塊圖。請先參照圖5A，抓取模式模組430包括定位與地圖建立單元504、路徑追蹤控制單元506、物體偵測單元508及抓取路徑規畫單元510。此外，抓取模式模組430還可連接於影像擷取單元405、位移控制單元450以及里程計460。為了方便說明，抓取模式模組430的運作大致可分為兩大部分，分別為全向式移動同時定位與地圖建立以及視覺抓取，但本實施例並不限制於此兩大部分。在本實施例中，抓取模式模組430會根據影像擷取單元405、定位與地圖建立單元504、路徑追蹤控制單元506、物體偵測單元 508及抓取路徑規畫單元510、位移控制單元450以及里程計460，建立機器人所在的地圖資訊以及機器人在此地圖資訊中的位置，接著移動到目標物體上，並偵測目標物體的角度，以決定出抓取目標物體的抓取路徑，最後令機器人的左右機械臂執行抓取動作，詳細說明如下。

全向式移動同時定位與地圖建立的運作：圖5B為說明本發明一實施例的全向式移動同時定位與地圖建立的示意圖。請參照圖5A與圖5B，影像擷取單元405用以擷取影像資訊S1以及深度資訊S2，其中影像擷取單元405例如是Kinect RGB-D攝影裝置或其他具有影像擷取功能的電子裝置，且例如是設置在機器人的頭部。接著，定位與地圖建立單元504會接收影像擷取單元405所擷取的影像資訊S1和深度資訊S2，據以根據影像資訊S1和深度資訊S2來達成全向式移動同時定位與地圖建立(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)之功能。詳細而言，定位與地圖建立單元504可採用加速穩健特徵(Speeded Up Robust Features，SURF)演算法，從影像資訊S1以及深度資訊S2的RGB-D資訊中擷取環境之多個特徵點(步驟S5042)，並根據特徵點資料庫503內的資料來對這些特徵點進行比對(步驟S5044)，以計算三維特徵位置，以及透過座標系的轉換使特徵點與機器人狀態結合，進而估測機器人的姿態(步驟S5046)。由於機器人之運動模型和視覺系統是非線性的，因此定位與地圖建立單元504還會利用擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter，EKF)505結合影像資訊和預估系統的狀態。更進一步而言，擴展卡爾曼濾波器505會用前一時刻根據里程計460所估測得到的機器人之狀態向量與特徵點狀態向量以及觀測而得的特徵點狀態向量作為輸入，修正機器人狀態向量並更新特徵點資料庫503，同時輸出機器人姿態到路徑追蹤控制單元506。之後，路徑追蹤控制單元506會根據機器人姿態輸出運動命令於位移控制單元450，而位移控制單元450將會根據此運動命令控制機器人之移動。

視覺抓取的運作：圖5C為說明本發明一實施例的視覺伺服抓取的示意圖。請參照圖5A與圖5C，物體偵測單元508會以影像擷取單元405所擷取到的影像資訊S1做為輸入，對其環境的影像進行切割，且將影像資訊的影像畫面切割成XY平面與YZ平面(步驟S512)。此切割後的XY平面與YZ平面不但能夠描述環境中的物體，也可由影像擷取單元405所得影像來找出整張圖中的特徵點並進行比對，縮小成比對切割後XY平面與YZ平面內的特徵點因此更可加速比對目標物體的時間。此外，物體偵測單元508還可根據切割後XY平面與YZ平面內的特徵點，定義目標物體所處位置周圍的安全區域(步驟S514)，換言之，機器人可在此安全區域內適當移動以抓取目標物體，而不會觸碰其他非目標物體。另一方面，物體偵測單元508還會將機器人所觀察的影像與特徵點資料庫503中目標物體的特徵點進行比對以偵測目標物體(步驟 S516)，進而找到一個可以代表目標物體的參考點並偵測此目標物體的姿態。如此一來，物體偵測單元508即可根據目標物體的姿態而偵測目標物體之抓取角度(步驟S518)。最後，抓取路徑規畫單元510可根據物體偵測單元508之輸出，來規劃抓取目標物體的路徑(步驟S520)，據以產生控制左右機械臂抓取目標物體的控制命令(步驟S522)。此外，在上述步驟S512~S522中，抓取模式模組430還會不斷修正影像擷取單元405與目標物體的相對位置，使左右機械臂的手爪部位最後到達預定的姿態與位置並抓取目標物體，藉以完成自主式抓取的任務。

當使用者下達的命令為執行行走輔助模式的命令時，行走輔助模式模組440開始執行，且機器人的左右機械臂會從解除環扣的狀態轉變成環扣鎖固的狀態。

圖6A是依照本發明的一實施例的行走輔助模式模組440的方塊圖。圖6B是依照本發明的一實施例的行走輔助模式模組440運作的示意圖。請參照圖6A與圖6B，行走輔助模式模組440可包括力感測單元602、順應性運動控制單元604、光測距單元606、障礙物閃避控制單元608以及速度融合控制單元610，其中行走輔助模式模組440也可連接於位移控制單元450以及里程計460。

力感測單元602用以感測施力於機器人上左右機械臂的力資訊，例如感測到的施力與力矩，其中力感測單元602是設置在機器人的右機械臂與其手肘的交接處。在本實施例中，機器人 之移動是以使用者的施力與其所感測的力矩來做為判斷資料的輸入，當力感測單元602感測力與力矩而獲得力資訊後，為了考慮到判斷資料上的穩定度與準確性，行走輔助模式模組440還可透過一個力前處理單元603來進行力資訊的前處理，其中力前處理單元603包括低通濾波單元6032、力補償單元6034以及座標轉換單元6036。

詳細而言，低通濾波單元6032會將力感測單元602感測到的力資料做濾波動作。由於力感測單元602是設置在機器人的右機械臂的上下手臂的交接處，力感測單元602所感測到的力資訊會受到下手臂重量的影響，所以力前處理單元603還會透過力補償單元6034將下手臂重量造成力感測單元602的初始重力扣除，以利於在使用者施力的判斷上有清楚的劃分。

由於機器人在環扣鎖固狀態下，是以機器人的左右機械臂與機器人本身平舉成近90度，且上手臂與下手臂成90度交互於機器人之胸前的方式，因此力前處理單元603還會透過座標轉換單元6036推導力轉換矩陣，以將力資訊從力感測單元602所感測到的座標系，轉換成機器人本身之座標系，進而將此轉換過後的力資訊應用到順應性運動控制單元604來做為使用者意圖之判斷。

由於力感測單元602會感測到使用者作用於右機械臂上的施力，且當使用者對機器人左右機械臂上做前後推拉時，都會伴隨者轉矩的產生，而這些使用者的施力或轉矩容易影響到使用 者行走或轉彎意圖上的判斷，因此，行走輔助模式模組440的順應性運動控制單元604還會進行行走意圖估測，其例如是以三個力資訊的差值(即機器人本身之座標系X軸方向上及Y軸方向上力的變化量以及力矩變化量)來做為輸入，以計算並判斷使用者之意圖。為了方便說明，本實施例將使用者之意圖區分種五種輔助模式，分別為直進、水平移動、右斜45度角移動、左斜45度角移動以及原地旋轉。須說明的是，本實施例並不限制這五種輔助模式，在其他實施例中，也可區分為更多種或較少種輔助模式。

圖6C為說明本發明的一實施例的上述行走意圖估測方法的示意圖。請參照圖6C，△F_wx(即機器人本身之座標系X軸方向上力的變化量)、△F_xy(即機器人本身之座標系Y軸方向上力的變化量)及△τ _wz(即機器人本身之座標系力矩變化量)是使用者目前的施力值與力感測單元偵測使用者尚未施力初始值的差值，其可由式(1)得到三個差值來作為判斷的三個輸入。

△F_wx=F_wx(k)-F_{initial_x} △F_wy=F_wy(k)-F_{initial_y} △τ _wz=τ _wz(k)-τ _{initial_z} 式(1)

其中F_wx(k)、F_wy(k)及τ _wz(k)為目前力感測單元602所感測到的值，F_{initial_x}、F_{initial_y}及τ _{initial_z}為力感測單元602在使用者尚未施力時所感測到的初始值。

具體而言，當△F_wx>0、△F_wy=0時，順應性運動控制單元604會判斷機器人是直進(輔助模式M1)、左斜45度角移動(輔 助模式M3)、右斜45度角移動(輔助模式M4)或是旋轉(輔助模式M5)。此時順應性運動控制單元604會再進一步利用△τ _wz的大小來判斷並規範可能的動作，以進一步判斷機器人是將直進、左斜/右斜45度角移動或旋轉。而當△F_wx=0、△F_wy>0時，則順應性運動控制單元604會定義成水平移動(輔助模式M2)。

此外，順應性運動控制單元604還會將外加施力轉化成相對應的速度命令，當使用者對輔助機器人施某一方向的推力時，機器人則可以依據推力的大小及方向來調整本身的運動來順應使用者的操作。在本實施例中，順應性運動控制單元604可透過式(2)，計算出機器人所需要順應的輔助速度V_wx、V_wy、ω_wz，其中M_robot為質量係數，I_robot為轉動慣量係數，而B_robot為阻尼係數。

另一方面，為了讓機器人在移動的過程中閃避障礙物而不發生碰撞，光測距單元606，例如為雷射測距儀(Laser range finder)，其可以雷射光來掃描並偵測機器人周圍的物體，而得到至少一相鄰物體與機器人之間的至少一距離感測值。接著，障礙物閃避控制單元608會根據會此距離感測值輸出機器人的旋轉速度改變量。

具體而言，圖6D依照本發明的一實施例的光感測範圍的示意圖。請參照圖6D，光測距單元606所掃描出的區域例如是雷射光從0度掃描到180度的範圍，例如是每20度劃分為一區，因此所掃描的區域共劃分為9個區域R1~R9，其中中心O表示機器人所在的位置。在閃避障礙物時設計者使用距離資訊的範圍是從區域R3到R7，而其中正前方於區域R4、R5及R6內的距離資訊，是用以決定機器人的旋轉速度的輸出值。由於當障礙物越接近機器人時，機器人會以較大轉向的閃避行為來避開障礙物，因此經由右前方區域R3與左前方區域R7內的距離資訊，可得知右側與左側哪一側需要較大的閃避空間，據以決定機器人的前進方向。

此外，為了避免機器人遇到複雜的環境，例如左側右側先後有障礙物，且距離很近時，導致在上一個時刻因左側有障礙物選擇右轉後，但又於下一個時刻偵測到右側有障礙物，而造成機器人會忽左忽右擺盪的情況，因此，障礙物閃避控制單元608會設定當左側的距離大於右側的距離為一預設距離(例如是30cm)時，才會使機器人選擇左轉，否則使機器人選擇右轉。換言之，此預設距離是用來增加閃避障礙物行為表現的穩定度。

為了考慮到機器人本身與的旋轉角的關係，障礙物閃避控制單元608會定義最小碰撞距離L_b與碰撞警戒距離L_d。詳言之，當機器人正面於區域R4、R5及R6內與障礙物之距離L_min小於最小碰撞距離L_b時，則表示機器人的角速度ω _obs須以最大旋轉角速度ω _{max_obs}閃避，而當機器人正面與障礙物之距離L_min介於 L_b與L_d之間時，則以式(3)的公式來設定機器人所需的角速度ω_obs。此外，至於左右方向上的閃避，障礙物閃避控制單元608可透過式(4)來判斷，其中L_R3及L_R7分別表示右前方區域R3與左前方區域R7內的距離。式(3)及式(4)是定義逆時鐘旋轉為正值，順時鐘旋轉為負值。

在行走輔助模式模組440進行行走輔助模式時，為了因應當時環境與使用者移動所需要之機器人行走輔助行為，機器人的速度包含順應性運動控制單元604與障礙物閃避控制單元608所輸出的值。

詳言之，速度融合控制單元610會將順應性運動控制單元604所輸出的角速度ω _wz以及障礙物閃避控制單元608所輸出的角速度ω _obs融合而成機器人之旋轉角速度，而速度融合控制單元610融合的方法為以一個權重值乘上個別的角速度，如式(5)所示。

ω _f=(W _obs ×ω _obs)+((1-Wobs)×ω _wz ) 式(5)

其中W_obs為障礙物閃避部分的權重值，(1-W_obs)為順應 性運動部分的權重值，ω _f為融合後的旋轉角速度。

進一步而言，權重值W_obs是依據最小碰撞距離L_b以及碰撞警戒距離L_d來決定。具體而言，當機器人正面與障礙物距離L_min小於最小碰撞距離L_b時，此時代表機器人離障礙物太近，故機器人須以最大迴避角度來閃避障礙物，也就是權重值W_obs須被設定為1。當機器人正面與障礙物距離L_min介於最小碰撞距離L_b與碰撞警戒距離L_d之間，則會以機器人與障礙物的距離大小來調整權重值W_obs。此外，當機器人正面與障礙物距離L_min大於碰撞警戒距離L_d時，則機器人將會以使用者意圖的命令作為主體來做控制運動命令，也就是權重值W_obs會被設定為0。此權重值的定義公式如式(6)所示。

此外，速度融合控制單元610所輸出的線速度為順應性運動控制單元604之輸出(即輔助速度V_wx及V_wy)，因此速度融合控制單元610融合後的融合速度V_m如式(7)表示。

如此一來，行走輔助模式模組440在執行行走輔助模式時，機器人的速度將會依照速度融合控制單元610所融合出的融合速度V_m行走，因此機器人不僅提供了協助使用者行走的功能，同時還具備障礙物閃避之功能，藉以防止使用者因觸碰障礙物而跌倒。

底下以一居家情境為實驗例來說明本實施例之機器人的行動輔助系統所包括的抓取模式及行走輔助模式。

圖7為本實驗例行動輔助系統所執行的各步驟流程圖。圖8(a)至圖11(i)為本實驗例行動輔助系統所執行的情境影像。請參照圖7，首先，機器人的雙臂環扣機構為解除環扣狀態(步驟S702)，其中左右機械臂正常擺放，例如是回到預設姿勢。當機器人接受到使用者下達的命令(例如自飲料罐倒飲料以及遞飲料的命令)之後，如圖8(a)至圖8(b)所示，機器人會利用建立房間地圖及自我定位，並自主開始導航到目標物體的位置(步驟S704)。在此實驗例中，目標物體例如是位於桌上的飲料罐以及杯子，因此此時機器人例如是移動到桌子前。須說明的是，機器人在移動過程中還會偵測是否有障礙物，而當移動過程中有障礙物時，如圖8(c)至圖8(d)所示，機器人靠雷射測距儀進行障礙物的閃避。

當機器人移動到桌子前時，如圖8(e)至圖8(g)所示，機器人會偵測目標物體(也就是飲料罐及杯子)(步驟S706)，例如是利用Kinect感測器擷取環境影像資訊，判斷出飲料罐的位置以及姿態，以左機械臂去抓取環境中飲料罐，再判斷出杯子的位置 以及姿態，使用右機械臂抓取杯子(步驟S708)，接著，如圖8(h)所示，雙機械臂透過事先所規劃好的倒飲料路徑，將左手飲料罐內的飲料倒進右手的杯子內。當倒完飲料後，如圖8(i)所示，機器人將飲料罐放回桌上。

接下來，如圖9(a)至9(f)所示，機器人導航到使用者的位置(步驟S710)，將杯子遞交給使用者(步驟S712)。此時，使用者欲攙扶機器人來行走而下達對應於行走輔助模式的命令，於是機器人切換到行走輔助模式。此時，如圖10(a)至圖10(c)所示，機器人利用環扣路徑規劃策略將左右機械臂結合，使左右機械臂的雙臂環扣機構為環扣鎖固模式(步驟S714)，藉此，使用者將可利用機器人的左右機械臂來作為行動輔具的扶手。

接著，如圖11(a)至圖11(i)所示，機器人可透過力/轉矩感測器得到使用者的施力，估測行走意圖並進行行走上的輔助。在輔助過程中，如果使用者沒有注意到行走路徑上有障礙物時，機器人能夠藉由雷射測距儀對障礙物做閃避的動作，協助使用者能夠安全的行走出房間(步驟S714)。之後，當使用者未透過攙扶機器人之左右機械臂來行走時，機器人之左右機械臂上的雙臂環扣機構可自動回到解除環扣模式(步驟S702)，當然，在其他實驗例中，機器人之左右機械臂上的雙臂環扣機構可維持在環扣鎖固模式。

另須說明的是，於上述實驗例中，機器人將杯子遞交給使用者之後，若使用者沒有下達對應行走輔助模式的命令時，則 機器人之左右機械臂上的雙臂環扣機構可維持為解除環扣模式(也就是從步驟S712回到步驟S702)。此外，在上述實驗例中，整個實驗過程中機器人的行走路徑可如圖12所示，其中點狀分布即是環境中物體的特徵點，路徑12a為對應於步驟S704至步驟S714中機器人行走的路徑，而路徑12b為對應於步驟S712至步驟S716中機器人行走的路徑。由圖12可知，機器人可明確地定位所處環境的位置，移動到目標位置，並且在移動的過程中還可閃避障礙物。

綜上所述，在本發明的機器人的行動輔助系統中，機器人具有第一機械臂及第二機械臂，且行動輔助系統可配合使用者的需求轉換操作模式，其經由改變第一機械臂及第二機械臂之構型，執行抓取模式及行走輔助模式。當行動輔助系統執行抓取模式時，機器人可透過具有六自由度的第一機械臂及第二機械臂來進行取物遞物的任務。另一方面，當使用者需要行走輔助時，行動輔助系統會轉換成執行行走輔助模式，並經由路徑規劃策略使左右機械臂環扣鎖固，以形成行動輔具握把提供使用者扶持。如此一來，本發明可實現在同一個機器人上同時具有協助取物遞物及行走輔助的功能。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

400‧‧‧行動輔助系統

410‧‧‧接收單元

420‧‧‧控制單元

430‧‧‧抓取模式模組

440‧‧‧行走輔助模式模組

Claims (10)

1. 一種機器人的行動輔助系統，其中該機器人具有一第一機械臂以及一第二機械臂，該行動輔助系統包括：一接收單元，接收一命令；一抓取模式模組，用以執行一抓取模式；一行走輔助模式模組，用以執行一行走輔助模式；以及一控制單元，耦接於該接收單元，並根據該命令控制該抓取模式模組執行該抓取模式或該行走輔助模式模組執行該行走輔助模式，其中當該抓取模式模組執行該抓取模式時，該抓取模式模組將該第一機械臂與該第二機械臂之間的一雙臂環扣機構，進行解除環扣，其中當該行走輔助模式模組執行該行走輔助模式時，該行走輔助模式模組將該第一機械臂與該第二機械臂之間的該雙臂環扣機構，進行環扣鎖固。
2. 如申請專利範圍第1項所述的機器人的行動輔助系統，其中該第一機械臂與該第二機械臂的自由度分別為6。
3. 如申請專利範圍第1項所述的機器人的行動輔助系統，其中該第一機械臂或該第二機械臂上設置有一力感測單元。
4. 如申請專利範圍第1項所述的機器人的行動輔助系統，其中該機器人的頭部設置有一影像擷取單元。
5. 如申請專利範圍第1項所述的機器人的行動輔助系統，其 中該抓取模式模組包括：一定位與地圖建立單元，接收一影像擷取單元所擷取的一影像資訊與一深度資訊，並根據該影像資訊與該深度資訊執行一全向式移動同時定位與地圖建立。
6. 如申請專利範圍第5項所述的機器人的行動輔助系統，其中該抓取模式模組更包括一路徑追蹤控制單元，其中該定位與地圖建立單元採用一加速穩健特徵演算法，從該影像資訊與該深度資訊中擷取多個特徵點，並根據一特徵點資料庫比對該些特徵點，以估測該機器人的姿態，以及利用一前一時刻所估測的該機器人之狀態向量與觀測而得的一特徵點狀態向量，修正該機器人之狀態向量並更新該特徵點資料庫，同時輸出該機器人的姿態至該路徑追蹤控制單元，其中該根據該機器人的姿態輸出一運動命令於一位移控制單元，使得該位移控制單元根據該運動命令控制該機器人之移動。
7. 如申請專利範圍第5項所述的機器人的行動輔助系統，其中該抓取模式模組更包括：一物體偵測單元，根據該影像擷取單元所擷取到的該影像資訊對一第一影像進行切割，以及根據切割後的多個第二影像定義一目標物體所屬的一安全區域，且根據該目標物體偵測該目標物體之抓取角度；以及一抓取路徑規畫單元，根據該物體偵測單元之輸出，規劃抓取該目標物體的路徑，以產生控制該第一機械臂與該第二機械臂 抓取該目標物體的一控制命令。
8. 如申請專利範圍第1項所述的機器人的行動輔助系統，其中該行走輔助模式模組包括：一力感測單元，用以感測施力於該機器人上的該第一機械臂與該第二機械臂的力資訊；一順應性運動控制單元，根據該力資訊，計算該機器人需要順應的一輔助速度；一光測距單元，偵測至少一相鄰物體與該機器人之間的至少一距離感測值；一障礙物閃避控制單元，根據該距離感測值輸出該機器人所需的一角速度；以及一速度融合控制單元，將該順應性運動控制單元所輸出的該輔助速度與該障礙物閃避控制單元所輸出的該角速度，融合而成該機器人的一旋轉角速度。
9. 如申請專利範圍第8項所述的機器人的行動輔助系統，其中該行走輔助模式模組更包括：一力前處理單元，具有一低通濾波單元、一力補償單元以及一座標轉換單元，其中該低通濾波單元將該力感測單元感測到的該力資料做濾波動作，該力補償單元將該第一機械臂或該第二機械臂其中之一的下手臂重量扣除，而該座標轉換單元將於該力感測單元上的座標系轉換成該機器人本身的座標系。
10. 如申請專利範圍第8項所述的機器人的行動輔助系統，其中該順應性運動控制單元根據該力感測單元所感測的該力資訊計算並判斷一使用者之意圖，並將該使用者之意圖區分成多個輔助模式。