专利名称：机器人系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于遥控机器人的机器人(robotic)系统。
技术背景常规地，用于遥控机器人的机器人系统已经被开发用于游戏等。这种机 器人系统的一个例子在日本专利公开号NO.2006-51586中被公开。当具有大量关节的传统机器人(例如人型机器人)被遥控时，附在发射 器上的具有操作部的开关以这样一种方式进行开/关操作机器人执行预先分 配给每个操作部的动作。为了通过开关的每个操作部的开/关操作来执行预先分配给每个操作部 的动作，复杂动作被分配到各自的操作部，从而机器人能够通过简单操纵来 执行复杂动作。但是，传统机器人只能够执行预先分配给每个操作部的动作的再生，以 及利用传感器(例如陀螺传感器)的自动姿势控制动作。所以，使用者的意 愿不能被反映成机器人的实时操作。因此，机器人的动作受到限制，而且在 娱乐性上缺少吸引力。发明内容本发明提供一种机器人系统，该系统能够通过机器人系统的简单操纵实 现各种动作。根据本发明，机器人系统包括发射器，包括指示被分配的动作的开关 操作部、相应于操作量指示动作的模拟操作部、根据开关操作部和模拟操作 部的操作输出控制信号的控制信号输出部件、以及发送控制信号的发射部件; 机器人，包括多个关节和多个驱动每个关节的电动机；接收部件，接收和输 出来自发射器的控制信号；以及控制部件，响应来自接收部件的控制信号而 驱动，并控制机器人的关节。在发射器中，控制信号输出部件根据开关操作部和模拟操作部的操纵，输出控制信号。发射部件发送控制信号。接收部件接收并输出来自发射器的 控制信号。控制部件驱动电动机，该电动机响应来自接收部件的、用于控制 机器人关节的控制信号，来控制机器人的关节。控制部件响应控制信号，并以这样一种方式驱动电动机由开关操作部和模拟操作部指示的每个动作被叠加。由模拟操作部指示的动作相应于机器 人的姿势控制动作。该姿势控制动作可以是移动机器人重心位置的控制动作。 控制部件驱动电动机，该电动机至少移动机器人的踝关节和髋关节，从而移动重心位置。至少，滚动(roll)轴控制电动机和俯仰(pitch)轴控制电动机 可以被安装到每个关节，作为控制每个踝关节和每个髋关节的电动机。根据 本发明，机器人系统能够通过机器人系统的简单操纵实现各种动作。
图l是根据本发明、说明用于机器人系统的发射器的框图；图2是根据本发明、说明用于机器人系统的接收控制器的框图；图3是根据本发明的实施例、说明用于机器人系统的机器人结构的图；图4 (a)、图4 (b)和图4 (c)是根据本发明的实施例、说明机器人系统中重心位置水平移动控制的图；图5 (a)、图5 (b)和图5 (c)是根据本发明的实施例、说明机器人系统中重心位置向前/向后移动控制的图。
具体实施方式
根据本发明实施例的机器人系统将通过参考一个两足的行走机器人的例 子来进行说明。参见图1,遥控机器人的发射器包括操作部101、信号处理电路102、和 发射/接收电路103。操作部101包括指示被分配动作的分配操作指示器105, 和相应于操作或操纵量指示动作的模拟量指示器106。由开关形成的分配操 作指示器105包括多个开关操作部，例如，按钮开关107-1到107-n，其中每 一个进行开/关操作以指示被分配的动作。互不相同的动作(例如行走动作、 上升动作等等)被分别分配给开关操作部107-1到107-n。模拟量指示器106 包括外部可操作的可变电阻器、和多个模拟操作部(例如，操作杆108-1到 108-n),其中每一个指示相应于模拟量的移动，该模拟量相应于模拟操作部的操作量。如下面具体描述的，模拟操作部108-1到108-n中的两个模拟操作部108-1 和108-2指示向右和向左移动机器人重心位置的动作、以及向前和向后移动 机器人重心位置的动作，并且还通过相应于每个模拟操作部108-1和108-2 的操作量的量来指示重心位置的移动动作。信号处理电路102输出分别相应于开关操作部107-1到107-n以及模拟操 作部108-1到108-n的操作的控制信号。该控制信号包括代表被操纵的开关 操作部107-1到107-n的信息，即表示分配到模拟操作部107-1到107-n的动 作的信息；以及代表被操纵的开关操作部108-1到108-n的信息和代表被操纵 的模拟操作部108-1到108-n的操作量的信息，也就是，表示相应于被操纵的 模拟操作部108-1到108-n的电动机的信息和表示电动机的控制量的信息。发射/接收电路103调制并无线输出由信号处理电路102接收的控制信 号。在本实施例中，发射/接收电路103用于反馈信号，该信号代表要被控制 的设备、也就是要在后面描述的机器人的控制状态。然而，如果该设备仅仅 是被控制，接收功能就不需要了。因此，发射电路可被用于代替发射/接收电 路103。信号处理电路102配置(configure)控制信号输出部件，发射/接收电路 103配置发射部件。参见图2，接收控制器包括接收器201、控制电路202和驱动器203。接 收器201配置接收部件，控制电路202配置控制部件。接收器201包括用于 接收、解调和输出来自发射器的控制信号的无线电发射/接收电路207、以及 用于接收和输出来自无线电发射/接收电路207的控制信号的SPI信号发射/ 接收电路208或SPI(串行外围接口 )接口。无线电发射/接收电路207和SPI 信号发射/接收电路208用于反馈代表要被控制的设备的控制状态的信号。但 是，如果设备仅仅是被控制，接收功能就不需要了。假如这样的话，发射电 路可以用于代替接收电路207和208。控制电路202包括SPI信号发射/接收电路209或SPI接口 ，用于接收和 输出来自接收器201的控制信号；处理电路210，用于执行处理，该处理处 理由SPI信号发射/接收电路209接收的控制信号，并以适合电动机206.......206的形式输出控制信号；以及RS485输出电路204或RS485接口 ，用于将来自处理电路210的控制信号输出到驱动器203。如上文所述，在SPI信号发射/接收电路209中，接收器可以用于代替发射/接收电路。处理电路210由中央处理单元(CPU)组成，在图2中以功能框示出。 处理电路210执行从SPI信号发射/接收电路209接收的控制信号的信号分析 处理211、根据开关操作部107-1到107-n的操纵的被控制设备的动作再生处 理212、根据模拟操作部108-1到108-n的操纵的被控制设备的重心位置控制 处理213、以及用于将动作再生处理212和重心位置控制处理213反映给被 控制设备的操作的动作控制处理214。因此，处理电路210输出控制信号， 在该控制信号中叠加由开关操作部107-1到107-n以及模拟操作部108-1到 108-n表示的各自的操作。RS485输出电路204接收来自处理电路210的控制 信号，并将该控制信号输出给驱动器203。驱动器203包括多个网络集线器(hub) 205.......205,以及连接到任何一个网络集线器205的多个直流电动机206.......206。每个电动机206驱动被控制设备的各自的关节。相应于经过网络集线器205.......205的控制信号，驱动器203可转动地驱动电动机206、 ......206。以此方式，其中由开关操作部107-1到107-n以及^^拟操作部108-1到108-n表示的各自的操作叠加的驱动操作被执行到电动机206.......206。驱动器203构成了机器人，该机器人包括将在后面描述的机器人身体。图3为图示根据本发明实施例的、在机器人系统中使用的机器人301的 结构的图。参见图3，同样的附图标记用于表示与图1和图2中相同的元件。 分支附图标记1至20用于表示作为关节功能的电动机206,以便区别于其它 电动才几206。被做成类似人型的、作为被控制设备的两足行走机器人301具有拥有多 个关节和一个驱动器203的机器人身体302。各自的关节被提供有在驱动器 203中通过网络集线器205连接的电动机206-1到206-20,并且这些关节由驱 动电动机206-1到206-20移动。网络集线器205以及电动机206-1到206-20 通过电源分支基片303提供驱动电力，该电源分支基片303包括网络集线器 205,并连接到控制电路202和RS485输出电路204。图4是实现水平移动机器人301的重心的控制的说明图。图5是实现向 后和向前移动机器人301的重心的控制的说明图。根据本发明实施例的机器 人系统的操作将通过参考图1至图5进行详细的说明。当机器人301执行被分配给发射器的开关操作部107-1到107-n的动作时，在多个开关操作部107-1到107-n中被分配到希望的动作的开关操作部(例 如开关操作部107-1 )被首先操作。信号处理电路102向发射/接收电路103输出代表开关操作部107-1的操 作的控制信号。在接收控制器一侧，接收器201中的无线电发射/接收电路207 接收和解调来自发射器的调制后的控制信号，并输出调制后的控制信号作为 控制信号。SPI信号发射/接收电路208输出来自无线电发射/接收电路207的 解调后的控制信号。在控制电路202中，SPI信号发射/接收电路209接收控制信号并向处理 电路210输出控制信号。处理电路210执行控制信号的信号分析处理，以便 分析开关操作部107-1到107-n中的一个是否已经被操纵，或者模拟操作部 108-1到108-n中的一个已经被操纵多少，从而实现信号分析处理211。当信 号分析处理211的结果证实操作开关部(例如，操作部107-1 )已经被操纵时， 处理电路210读出关于电动机的信息，也就是动作控制信息，其被预先存储 在控制电路202的存储部件中，并被要求实现被分配给开关操作部107-1的 动作，以实现动作再生处理212。动作控制信息包括指定要被驱动的电动机 以及电动机被驱动的量的信息。当信号分析处理211的结果证实模拟操作部108-1到108-n已经被操作 时，根据模拟操作部108-1到108-n的操纵量，处理电路210产生重心位置控 制信息以相应于模拟操作部108-1到108-n的被操作部和机器人301的重心而 控制电动机，以实现重心位置控制处理213。重心位置控制信息包括指定要 被驱动的电动机以及电动机的驱动量的信息，其中电动机的驱动量相应于模 拟操作部108-1到108-n的操纵量。在这种情况下，模拟操作部108-1到108-n 没有被操纵。因此，重心位置控制信息没有在重心位置控制处理213中产生， 且重心位置控制没有被执行。下面，基于动作控制信息并且基于重心位置控制信息，处理电路210产 生代表要被驱动的电动机及其驱动量的控制信号，并向RS485输出电路204 输出控制信号以实现电动机控制处理214。控制信号基本上相应于其中叠加 动作控制信息和重心位置控制信息的信号。然而，由于重心位置控制信息在 此没有产生，因此控制信号只相应于动作控制信息。控制电路202将来自RS485输出电路204的控制信号输出给驱动器203。 在驱动器203中，相应于控制信号的电动机206........ 206 (即图3中的电动机206-1到206-n)通过相应于控制信号的量被驱动。照这样，被驱动的电动机206、 ......、 206控制相应于电动机的关节。因此，机器人301实施由被操纵的开关操作部107-1分配的动作。例如，当^皮开关操作部107-1分配的动 作是向前走时，控制信号以预定的顺序并且由预定的量，来指示驱动右踝滚 动轴控制电动机206-1、左踝滚动轴控制电动4几206-2、右踝俯仰轴控制电动 机206-3、左踝俯仰轴控制电动机206-4、右膝控制电动机206-5、左膝控制 电动机206-6、右髋关节俯仰轴控制电动机206-7、左髋关节俯仰轴控制电动 机206-8、右髋关节滚动轴控制电动机206-9、以及左髋关节滾动轴控制电动 机206-10。照这样，当开关操作部107-1被操作以指示向前走时，电动机206-1 到206-10以预定的顺序并且由预定的量被驱动，以使机器人301向前走。在机器人301的重心位置移动的情况下的操作将被说明。这种情况下， 至少被分配重心位置的水平移动的模拟操作部108-1、或者被分配重心位置向 前/向后移动的模拟操作部108-2被操纵。例如，当被分配重心位置的水平移 动的模拟操作部108-1被操纵时，信号处理电路102向发射/接收电路103输 出控制信号，该控制信号代表模拟操作部108-1的操纵和模拟操作部108-1 的操纵量。发射/接收电路103调制并无线发送控制信号。接收控制器一侧解调^U矣收器201调制的控制信号，并通过SPI信号发 射/接收电路208输出解调后的控制信号。控制电路202中的处理电路210分 析控制信号。因此，开关操作部107-1到107-n和被操纵的模拟操作部108-1 到108-n服从于操纵分析量，以实现信号分析处理211。在此过程中，处理电 路210判断操作开关部107没有被操纵，作为信号分析处理211的结果，且 在动作再生处理212中没有输出动作控制信息。另一方面，处理电路210判断模拟操作部108已经被操纵，作为信号分 析处理211的结果，然后根据模拟操作部108-1的操纵量，产生用于相应于 被操纵的模拟操作部108-1和机器人301的重心位置而控制电动机的重心位 置控制信息，从而实现重心位置控制处理213。在下一步中，基于动作控制信息并且基于重心位置控制信息，处理电路 210产生代表被驱动的电动机及其驱动量的控制信号，并向RS485输出电路 204输出控制信号，以实现电动机控制处理214。控制信号本来就是其中叠加 动作控制信息和重心位置控制信息的信号。然而，由于动作控制信息在此没 有输出，控制信号只相应于重心位置控制信息。相应于控制信号，驱动器203通过相应量来驱动电动机。用于控制重心位置移动的电动机分别与髋关节驱动电动机和踝关节驱动电动机相应。模拟操作部108-1控制重心位置向左和向右移动。由于控制信号向左和向右移动 重心位置，因此髋关节控制电动机控制的分别是右髋关节滚动轴控制电动机 206-9和左髋关节滚动轴控制电动机206-10。踝控制电动机控制的分别是右踝 滚动轴控制电动才几206-1和左]f果滚动轴控制电动才几206-2。在上述控制中，当机器人301的重心位置向右移动时，机器人301通过 相应于模拟操作部108-1的操作量在图4(a)中的直立位置和图4(b)中的 右重心移动位置之间移动。当重心位置向左移动时，机器人301通过相应于 模拟操作部108-1的操作量在图4 (a)中的直立位置和图4 (c)中的左重心 移动位置之间移动。为了向前和向后移动机器人301的重心位置，操作部108-3被操作。当 重心位置向前和向后移动时，右髋关节俯仰轴控制电动机206-7和左髋关节 俯仰轴控制电动机206-8作为关节控制电动机被控制。右踝俯仰轴控制电动 机206-3和左踝俯仰轴控制电动机206-4作为踝控制电动机被控制。当机器人301的重心位置向前和向后移动时，^L器人301通过相应于才莫 拟操作部108-2的操作量的量在图5 (a)中的直立位置和图5 (b)中的后重 心移动位置之间移动。当重心位置向前移动时，机器人301通过相应于模拟 操作部108-2的操作量的量在图5 (a)中的直立位置和图5 (c)中的前重心 移动位置之间移动。下面，开关操作部107-1到107-n的任何一个和才莫拟操作部108-1到108-n 中的任何一个同时被操作的情况将在下文中进行说明。当开关操作部107和 模拟操作部108-1同时被操作，重心位置将在行走时水平移动，从而机器人 301能够在向右转向或向左转向时行走。在向前走分配操作和水平重心位置 移动操作同时执行的情况下的操作将在下文中详细说明。首先，当被分配用于行走的开关操作部107-1被操作时，控制水平重心 位置移动的模拟运行部108-1被以预定量来操作。信号处理电路102输出代 表模拟操作部108-1的操作量、以及开关操作部107-1和模拟操作部108-1的 操作的控制信号，发射/接收电路103调制并无线发送控制信号。在接收控制器一侧，无线电发射/接收电路207接收、解调并输出来自发 射器的解调后的控制信号。SPI信号发射/接收电路208输出来自无线电发射/接收电路207的解调后的控制信号。在控制电路202中，SPI信号发射/接收电路209接收控制信号，并向处 理电路210输出该控制信号。处理电路210执行控制信号的信号分析处理。 因此，处理电路210分析开关操作部107-1到107-n中的被操作的一个、模拟 操作部108-1到108-n中的被操作的一个、以及模拟操作部108-1到108-n中 的被操作的一个的操作量，以实现信号分析处理211。当判断信号分析处理211中的开关操作部107-1已经被操作时，处理电 路210读出信息，即，关于电动机的动作控制信息，其被预先存储在控制电 路202的存储组件中，并被要求驱动被分配给被操作的开关操作部107-1的 操作，以实现动作再生处理212。动作控制信息包括指定将要被驱动的电动 机及其驱动量的信息。当判断信号分析处理211中的模拟操作部108-1已经被操纵时，处理电 路210通过相应于模拟操作部108-1的操作量的量，产生相应于被操作的模 拟操作部108-1而控制电动机的重心位置控制信息，以实现重心位置控制处 理213。重心位置控制信息包括指定要被驱动的电动机以及该电动机的驱动 量的信息。处理电路210基于动作控制信息并且基于重心位置控制信息产生 代表要被驱动的电动机及其驱动量的控制信号，并向RS485输出电路204输 出控制信号，以实现电动机控制处理214。控制信号相应于其中叠加动作控 制信息和重心位置控制信息的信号。控制电路202将来自RS485输出电路204 的控制信号输出给驱动器203。驱动器203通过其中叠加动作控制信息和重心控制信息的量而相应于控 制信号驱动电动机206-1到206-n。例如，具有动作控制信息和重心位置控制 信息的要被驱动的电动机由基于控制信号的角度控制量(91+02 )被可旋转地 控制，其中ei是基于动作控制信息的电动机角度控制量，02是基于重心位 置控制信息的电动机角度控制量。因此，被驱动的电动机206-1到206-n分别 控制相应的关节。机器人301在其重心位置移动的同时，执行被分配给被操 作的开关操作部107-1到107-n的动作。例如，当被分配给被操作的开关操作 部107-1的动作相应于向前走的动作，并且被操作的模拟操作部108-1向右移 动重心时，机器人301在向右转向的同时执行向前走。此外，当被分配给被 操作的开关操作部107-1的动作相应于向前走的动作，并且被操作的模拟操 作部108-2向左移动重心时，机器人301在向左转向的同时执行向前走。如上所述，通过使用开关操作部107-1到107-n以及模拟操作部108-1到 108-n,机器人301的操作被控制，其中该开关操作部107-1到107-n指示被 预先分配的预定动作，该模拟操作部108-1到108-n以模拟方式指示姿势控制。 这一特征允许机器人301被简单地和多样地操作。根据模拟操作部108-1到 108-n的操作，重心位置能够通过预定量被实时移动。根据本发明，用于至少移动机器人301的髋关节和踝关节的电动机被驱 动，以移动机器人301的重心位置。因此，重心位置移动能够通过简单操作 得以实现。此外，通过在行走(例如慢慢(shuffling)行走或快速(brisk)行 走)的同时移动重心，可以平稳地(smoothly)改变运动方向。在本实施例 中，重心移动已经作为模拟姿势控制操作的例子得以说明。不过，其它姿势 控制操作也可以被执行。在本发明中，其中通过在向前走期间水平移动重心位置来改变行进方向 的例子已经被说明。然而，甚至通过向前和向后的移动重心位置以及被分配 的移动，可以实现各种操作。例如，当快速行走中发生急停时，向前或向后 移动重心位置，从而防止跌倒并且达成稳定的停止操作。即使当机器人沿斜坡行走时，向前或向后移动重心允许机器人以稳定状 态行走。当机器人执行冲击(punching)操作时，与冲击操作相应的向前移 动重心位置有效地允许机器人做出破坏性的冲击。在本实施例中，髋关节和 踝关节被控制以便移动重心位置。然而，通过与髋关节和踝关节协作而伸展 手臂，可以重心位置移动。此外，通过可控制地伸展手臂，取代控制髋关节 和踝关节，重心位置可被移动。然而，通过控制髋关节和踝关节来改变重心 位置以实现各种操作(例如，通过向前移动重心位置的强有力的冲击操作) 是优选的，而不是通过伸展手臂改变重心位置。本发明可应用于用于室内和室外应用的各种机器人系统，包括通过无线 电波或红外线遥控或者无线控制机器人的业余(hobby)机器人系统。虽然已显示和描述了当前认为的本发明的优选实施例，但对本领域技术 人员来说，在不偏离权利要求限定的本发明范围的情况下，可以做出各种改 变和修改是显而易见的。
权利要求
1、一种机器人系统，包括发射器，包括用于指示被分配的操作的开关操作部、用于指示相应于操作量的操作的模拟操作部、用于根据所述开关操作部和所述模拟操作部的操作输出控制信号的控制信号输出部件、以及发送所述控制信号的发射部件；机器人，包括多个关节和分别驱动所述关节的多个电动机；接收部件，用于接收和输出来自所述发射器的控制信号；以及控制部件，用于响应来自所述接收部件的控制信号而驱动并控制所述机器人的所述关节。
2、 如权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制部件响应所述控制信 号，以这样一种方式驱动所述电动机由所述开关操作部和所述模拟操作部 指示的操作被叠加。
3、 如权利要求1所述的机器人系统，其中由所述模拟操作部指示的所述 操作相应于所述机器人的姿势控制操作。
4、 如权利要求3所述的机器人系统，其中所述姿势控制操作移动所述机 器人的重心位置。
5、 如权利要求4所述的机器人系统，其中所述控制部件驱动电动机，所 述电动机分别至少移动所述机器人的踝关节和髋关节，以移动所述重心位置。
6、 如权利要求5所述的机器人系统，其中每个关节至少安装有滚动轴控 制电动机和俯仰轴控制电动机，作为用于控制所述踝关节和所述髋关节的电 动机。
全文摘要
提供了一种使能容易的操纵和各种操作的机器人系统。被分配给被操纵的开关操作部的行走操作被执行。同时，根据被操纵的模拟操作部的操作量，驱动右踝滚动轴控制电动机、左踝滚动轴控制电动机、右髋关节滚动轴控制电动机、以及左髋关节滚动轴控制电动机。因此，机器人的重心位置被移动以改变行走的行进方向。
文档编号B25J3/00GK101219540SQ20071030038
公开日2008年7月16日 申请日期2007年10月17日 优先权日2006年10月17日
发明者宫重正幸, 植村千寻, 铃木康之 申请人:双叶电子工业株式会社