机器人设备、信息处理方法和程序

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技术领域\n本发明涉及机器人设备、信息处理方法和程序，尤其涉及当通过无线电 与通信设备通信时，根据无线电信号的通信质量行动的机器人设备，及其信 息处理方法和程序。\n背景技术\n如图1所示，已经开发出每一个都根据用户的指令或周围环境行动的自 动机器人。关于某些机器人，如用于通过网络3控制家庭电器4-1并通过网 络3从个人计算机4-2接收指令的目的的机器人，每个这样的机器人都可以 与接入点2通信。机器人1基于如IEEE(电气和电子工程师协会)802.11b 通过无线电与接入点2通信(参照日本未审查专利申请公开 No.2001-191279)。\n典型的机器人1具有用于指示无线电信号的强度的指示器。例如，当诸 如微波炉之类的用于发射电磁波的设备运行时，或者当机器人1在独立移动 时被物体挡住时，用户可以识别与接入点2的通信质量的下降。\n然后，根据使用这样的指示器的方法，当用户注意任何事情，诸如，如 果用户与机器人1交互，用户不能充分识别通信状态。\n发明内容\n考虑上述情况做出本发明。根据本发明，使用了自动机器人特有的功能 (如语音和手势)，使得用户可以容易地了解机器人1和接入点2之间的通信。\n本发明提供一种自动机器人设备，用于通过无线电与通信设备通信，并 根据用户指令或周围环境独立确定动作，该设备包括：测量装置，用于测量 从通信设备接收的无线电信号的通信质量；确定装置，用于根据测量装置测 量的通信质量确定动作；和处理装置，用于执行允许机器人设备采用确定装 置确定的动作的处理，其中，所述通信质量是对应于抗噪声性或差错率的无 线电信号强度。\n确定装置可以根据机器人设备的当前动作的详细内容和测量装置测量的 通信质量确定动作。\n确定装置可以确定预定语音的产生，而处理装置可以通过扬声器输出语音。\n本发明提供一种用于自动机器人设备的信息处理方法，其中机器人设备 通过无线电与通信设备通信，并根据用户指令或周围环境独立确定动作，该 方法包括：测量步骤，测量从通信设备接收的无线电信号的通信质量；确定 步骤，用于根据测量步骤测量的通信质量确定动作；和处理步骤，执行允许 机器人设备采用确定步骤中确定的动作的处理，其中，所述通信质量是对应于 抗噪声性或差错率的无线电信号强度。\n本发明提供一种用于自动机器人设备的程序，其中机器人设备通过无线 电与通信设备通信，并根据用户指令或周围环境独立确定动作，该程序允许 计算机执行的处理包括：测量步骤，测量从通信设备接收的无线电信号的通 信质量；确定步骤，用于根据测量步骤测量的通信质量确定动作；和处理步 骤，执行允许机器人设备采用确定步骤中确定的动作的处理。\n根据本发明的机器人设备，信息处理方法和程序，执行测量从通信设备 接收的无线电信号的通信质量，根据测量的通信质量确定动作和允许机器人 设备采用确定的动作的处理。\n附图说明\n图1是典型计算机系统的结构的方框图。\n图2是应用本发明的机器人系统的方框图。\n图3是图2中的机器人的外部透视图。\n图4是图2中的机器人的背面的外部透视图。\n图5是解释图2中的机器人的示意图。\n图6是图2中的机器人的内部结构的方框图。\n图7是主要解释与图2中的机器人的控制相关的部件的方框图。\n图8是图7中的主控制器的结构的方框图。\n图9图8中的语音识别单元的结构的方框图。\n图10是解释图2中的机器人的操作的流程图。\n具体实施方式\n图2显示应用了本发明的机器人5的使用的例子。\n根据用户指令或周围环境独立确定动作的人形机器人5根据 IEEE802.11b与接入点2通信。例如，机器人5通过网络3控制家庭电器4-1， 并通过网络3接收来自个人计算机4-2的指令来执行预定的处理。\n图3是应用了本发明的双足行走机器人5的前面的外部透视图。图4是 机器人5的背面的外部透视图。图5是解释机器人5的骨架的示意图。\n机器人5还包括躯干单元11、布置在躯干单元11上面的头部单元12、 连接到躯干单元11的左上和右上部的预定位置的手臂单元13A和13B，以及 连接到躯干单元11的左下和右下部的预定位置的腿部单元14A和14B。\n通过将框架21经由腰关节机构23连接到腰座(waist base)21来构造躯干 单元11。框架21用作躯干上半部，而腰座用作躯干下半部。在躯干单元11 中，当驱动固定在作为躯干下半部的腰座22上的腰关节机构23的传动臂A1 或A2时，如图5所示，躯干上半部可以围绕滚动轴24或俯仰轴(pitch axis) 25独立旋转。滚动轴24和俯仰轴25正交。\n头部单元12通过颈(neck)关节机构27连接到肩座(shoulder base)26 的上表面的中部。肩座26固定在框架21的上端。驱动颈关节机构27的传动 臂A3或A4，使得头部单元12可以围绕俯仰轴28和摆动轴(yaw axis)29 独立旋转。如图5所示，俯仰轴28与摆动轴29正交。\n手臂单元13A和13B通过相应肩关节机构30连接到肩座26的左侧和右 侧。如图5所示，设计每个手臂单元13A和13B，使得当驱动肩关节机构30 的传动臂A5或A6时，对应的手臂单元可以独立围绕俯仰轴31或滚动轴32 旋转。俯仰轴31与滚动轴32正交。\n在这种情况下，通过将作为上臂的传动臂A7的从动轴通过肘关节单元 44连接到作为前臂的传动臂A8并将手34附加到前臂的末端来构造出手臂单 元13A和13B。\n如图5所示，在每个手臂单元13A和13B中，当驱动传动臂A7时，对 应的前臂可以绕摆动轴35旋转。如图5所示，当驱动传动臂A8时，对应的 前臂可以围绕俯仰轴36旋转。\n腿部单元14A和14B通过相应臀关节机构37连接到作为下部躯干的腰 座22。如图5所示，设计每个腿部单元14A和14B，使得当驱动臀关节机构 37的传动臂A9、A10或A11时，对应的腿部单元可以独立绕摆动轴38、滚 动轴39和俯仰轴40转动。摆动轴38、滚动轴39和俯仰轴40相互正交。\n在每个腿部单元14A和14B中，作为大腿的框架41的下端通过膝关节 机构42连接到作为小腿的框架43，并且框架43的下端通过踝关节机构44 连接到脚。\n因此，如图5所示，在每个腿部单元14A和14B中，当驱动作为膝关节 机构42的传动臂A12时，对应的小腿可以围绕俯仰轴46旋转。如图5所示， 当驱动踝关节机构的传动臂A13或A14时，对应的脚45可以独立围绕俯仰 轴47或滚动轴48转动。俯仰轴47与滚动轴48正交。\n腿部单元14A和14B分别具有足底传感器91(图7)。每个足底传感器 91布置在脚45的底部(与地板接触的表面)。根据对应的足底传感器91的 开/关状态确定脚45是否与地板接触。\n盒控制单元52中具有将在下面描述的主控制器61(图6)和其它部件。 控制单元52布置在作为躯干单元11的下部躯干的腰座22的背面。\n图6是解释机器人5的传动臂和用于传动臂的控制系统的图。\n控制单元52包括主控制器61，用于控制整个机器人5和将在下面描述 的外部电路62的操作。外部电路62包括D/A转换单元单元101、A/D转换 单元102、电池103、电池传感器131、加速度传感器132、通信单元105和 外部存储器106(在图7中显示)。\n控制单元52连接到在各个部件单元(即，躯干单元11、头部单元12、 手臂单元13A和13B和腿部单元14A和14B)中布置的副控制器63A到63D。 控制单元52向每个副控制器63A到63D提供必要的电源电压，并且与副控 制器63A到63D通信。\n副控制器63A到63D分别连接到部件单元中的对应的传动臂A1到A14。 根据从主控制器61供给的各种控制指令，副控制器63A到63D控制部件单 元中的传动臂A1到A14，以便以特定状态驱动每个传动臂。\n图7是机器人5的内部结构的方框图。\n头部单元12具有外部传感器单元71，包括在预定位置上用作机器人5 的“眼睛”的CCD(电荷耦合部件)照相机81，用作其“耳朵”的传声器、 头部传感器51和用作机器人5的“嘴”的扬声器72。控制单元52中具有包 含了电池传感器131和加速传感器132的内部传感器。腿部单元14A和14B 分别具有在底面上的足底传感器91，每个足底传感器91用作机器人5的一 个“人体感觉”。\n在外部传感器单元71中，CCD照相机81获得周围情况的图像，并且将 获得的图像信号通过A/D转换器发送到主控制器61。传声器82收集作为用 户语音输入的、诸如“行走”、“停止”或“抬起你的右手”之类的指令语音， 并且将获得的语音信号通过A/D转换单元102发送到主控制器61。\n例如如图3和4所示，头部传感器51布置在头部单元的上部。头部传感 器51检测由用户的物理动作如“拥抱”或“轻拍”所产生的压力，并且通过 A/D转换单元将压力检测信号作为检测的结果发送到主控制器61。\n足底传感器91布置在每只脚45的脚底。当脚45与地板接触时，足底传 感器91通过A/D转换单元102向主控制器61发送接触信号。主控制器61 根据接触信号是否存在确定对应的脚45是否与地板接触。由于足底传感器 91分别布置在腿部单元14A和14B的两只脚45的脚底，因此主控制器61 根据每个接触信号是否存在可以确定机器人5的两只脚45是否与地板接触， 一只脚是否与地板接触，或者两只脚45是否都不与地板接触。\n控制单元52包括主控制器61、D/A转换单元101、A/D转换单元102、 电池103、内部传感器单元104、通信单元105和外部存储器106。\nD/A(数字/模拟)转换单元101将从主控制器61供给的数字信号转换为 模拟信号，然后将信号提供给扬声器72。A/D(模拟/数字)转换单元102将 从CCD81、传声器82、头部传感器51和足底传感器91供给的模拟信号转换 为数字信号，然后，将信号提供给主控制器61。\n在内部传感器单元104中，电池传感器131定期检测在电池103中剩余 的电量，并且将指示检测结果的电池电平检测信号发送到主控制器61。加速 传感器132定期在三个轴方向上检测关于机器人5的移动的加速度(x、y和 z轴)，并且将指示检测结果的加速度检测信号发送到主控制器61。\n主控制器61包括CPU 111，用于控制主控制器61和内部存储器112的 全部操作。内部存储器112存储运行该系统以便CPU 111控制各个单元的OS (操作系统)122、应用程序122和其它必要的数据。\n根据从外部传感器单元71中的CCD照相机81、传声器82和头部传感 器51和足底传感器91分别供给的图像信号、语音信号、压力检测信号、接 触信号(在下面，统称为外部传感器信号S1)，并根据从内部传感器单元104 中的电池传感器131和加速传感器132分别供给的电池电平检测信号和加速 度检测信号(在下面，统称为内部传感器信号S2)，主控制器61确定机器人 5的周围和内部状况、用户指令或是否出现用户导引(approach)。\n根据机器人5的周围和内部状况、用户指令或通信单元105从个人计算 机4-2接收的指令以及存储在内部存储器112中的控制程序或在那时加载的 存储在外部存储器106中的各种控制参数，主控制器61确定机器人5的动作， 根据确定的结果产生控制指令COM，并且将控制指令COM发送到确定的动 作所需的副控制器63A到63D。根据控制指令COM，副控制器63A到63D 驱动各个传动臂A1到A14。因此，例如，机器人5可以执行机械运动，如上 下或水平摇头不单元12，抬起手臂单元13A或13B，或交替移动腿部单元14A 和14B来行走。\n按照需要，主控制器61还根据到外部的语音信号将预定的语音信号提供 给扬声器来输出语音。\n通信单元105根据IEEE802.11b通过无线电与接入点2通信。当更新OS 121的版本或应用程序122时，通过通信单元105下载更新的OS或应用程序 并存储在内部存储器112中。此外，通信单元105可以接收预定的指令并提 供给CPU 111。\n外部存储器106包括，如EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)。外 部存储器106可以通过形成在躯干单元11上的插槽加载到躯干单元11上。 外部存储器106存储例如将在下面描述的情感模型。\n图8显示图7中的主控制器61的功能结构的实例。主控制器61执行存 储在内部存储器112中的OS 121和应用程序122，因此实现图8中所示的功 能结构。在图8中，省略了D/A转换单元101和A/D转换单元102。\n在主控制器61中，传感器输入处理单元201根据从头部传感器51、足 底传感器91、加速度传感器132、传声器82、CCD照相机81和通信单元105 分别供给的压力检测信号、接触信号、加速度检测信号、语音信号、图像信 号和无线电信号的通信质量信号来识别特定外部条件、用户的特定导引和用 户指令。传感器输入处理单元201将指示识别结果的状态识别信息发送到模 型存储单元202和动作确定机构单元203的每一个上。\n换句话说，传感器输入处理单元201包括压力处理单元221、加速处理 单元222、语音识别单元223、图像识别单元224和通信质量测量单元225。\n压力处理单元221处理从头部传感器51供给的压力检测信号。例如，当 作为处理结果，检测到施加了预定阈值或更高的压力一小段时间时，压力处 理单元221识别该机器人被轻拍(责备)。当检测到施加了低于阈值的压力一 长段时间时，压力处理单元221识别给机器人被拥抱(赞扬)。压力处理单元 221将状态识别信息作为识别的结果发送到模型存储单元202和动作确定机 构单元203的每一个上。\n此外，压力处理单元221处理从足底传感器91供给的接触信号。例如， 当从布置在腿部单元14A的脚45上的足底传感器91接收接触信号时，压力 处理单元221识别腿部单元14A的脚45与地板接触(地面)。当压力处理单 元221没有从腿部单元14A的足底传感器91接收到接触信号时，压力处理 单元221识别腿部单元14A的脚45没有与地板接触(地面)。类似地，根据 来自腿部单元14B的足底传感器91的接触信号的存在与否，压力处理单元 221识别腿部单元14B的足底传感器91是否与地板接触(地面)。压力处理 单元221将作为识别结果的状态识别信息发送到模型存储单元202和动作确 定机构单元203的每一个上。\n根据从加速传感器132供给的加速度检测信号，加速度处理单元222识 别躯干单元11的加速度的方向和幅度，然后将作为识别结果的状态识别信息 发送到模型存储单元202和动作确定机构单元203的每一个上。\n语音识别单元223使用来自传声器82的语音信号执行语音识别。语音识 别单元223将关于字符串的数据或字符串(如“行走”、“趴下”或“抓球”) 作为状态识别信息(用作语音识别的结果)通知给模型存储单元202和动作 确定机构单元203。\n图像识别单元224使用从CCD照相机81供给的图像信号执行图像识别 处理。当检测“红色圆形物体”或“与地面垂直并具有预定高度或更高的平 面”，图像识别单元224将图像识别结果(如“有个球”或“有堵墙”)作为 状态识别信息通知给模型存储单元202和动作确定机构单元203。\n通信质量测量单元225根据通过通信单元105从接入点2接收的信号测 量通信质量，并且将状态识别信息作为测量结果发送到动作确定机构单元 203。通信质量指的是例如对应于抗噪声性或差错率(如果在扩频带中以爆发 方式出现干扰波，则在通信分组中出现差错)的无线电信号强度。\n模型存储单元202存储并管理情感模型、本能模型和展示情感、本能的 成长模型以及机器人5的成长步骤。\n在该实例中，情感模型使用预定范围(如-1.0到1.0)中的值展示情感状 态(等级)，诸如“高兴”、“沮丧”、“生气”和“娱乐”等等。根据从传感器 输入处理单元201供给的状态识别信息和逝去的时间来改变本能模型值。\n本能模型使用预定范围中的值展示欲望状态(等级)，诸如“进食本能”、 “睡觉本能”和“移动本能”。根据从传感器输入处理单元201供给的状态识 别信息和逝去的时间改变本能模型值。\n成长模型使用预定范围中的值展示成长状态(等级)，诸如“儿童阶段”、 “青少年阶段”、“中年阶段”和“老年阶段”。根据从传感器输入处理单元 201供给的状态识别信息和逝去的时间改变本能模型值。\n模型存储单元202将状态信息发送到动作确定机构单元203中。状态信 息涉及由上述各个情感模型、本能模型和成长模型值显示的情感、本能和成 长状态。\n除了从传感器处理单元201供给的状态识别信息之外，模型存储单元202 从动作确定机构单元203接收动作信息，该动作信息指示机器人5的当前或 过去动作的详细内容，如“长时间行走”。当接收相同的状态识别信息时，模 型存储单元202根据动作信息指示的机器人5的动作产生不同的状态信息。\n例如，当机器人5问候用户而用户轻拍机器人5的头部时，将指示机器 人5已经问候用户的动作信息和指示用户轻拍机器人5的状态识别信息提供 给模型存储单元202。在这种情况下，模型存储单元202增加展示“高兴” 的情感模型值。\n动作确定机构单元203根据从传感器输入处理单元201供给的状态识别 信息、从模型存储单元202供给的状态信息和逝去的时间确定下一个动作， 然后将关于确定的动作的详细内容的动作指令输出到态度改变机构单元204。\n态度改变机构单元204根据从动作确定机构单元203供给的动作指令信 息产生态度改变信息以将机器人5的当前态度改变为下一个态度，然后将态 度改变信息发送到控制机构单元205。\n控制机构单元205根据从态度改变装置204供给的态度改变信息产生控 制信号来驱动各个传动臂A1到A14，并且将控制信号发送到副控制器63A 到63D。根据控制信号，副控制器63A到63D驱动合适的传动臂，因此允许 机器人5执行各种动作。\n语音合成单元208从动作确定机构单元203接收语音指令信息。根据语 音指令信息，语音合成单元208通过规则执行例如语音合成，并且将合成的 语音提供给扬声器来输出合成的语音。\n图9是传感器输入处理单元201中的语音识别单元223的功能的功能方 框图。\n语音数据通过图7中的传声器82和A/D转换单元102提供给语音设备 单元。语音数据提供给特征量提取单元251中。\n特征提取单元251在每一恰当的帧对从A/D转换单元102供给的语音数 据执行声音分析处理，因此提取用作特征量(如MFCC(Mel频率倒谱系数)) 的特征向量。\n通过特征提取单元251获得的每一帧特征向量依次提供给特征向量缓冲 器252，并在其中存储。因此，特征向量缓冲器252根据时序存储帧特征向 量。\n例如，特征向量缓冲器252存储从特定语音开始到结束(语音片断)的 时序特征向量。\n匹配单元253根据例如连续密度HMM(如果需要，参照声音模型数据 库254、字典数据库255和语法数据库256)，使用存储在特征向量缓冲器252 中的特征向量来识别由传声器82接收的语音。\n换句话说，声音模型数据库254在预定单元(PLU(语音语言单元))中 存储一系列指示声音特征的声音模型，诸如要识别的语音的语言中的音位或 音节。字典数据库255存储包含了要识别的词(单词)的发音的信息(音位 信息)的词典。语法数据库256存储用于描述如何链接(连接)包含在字典 数据库255的词典中的词的语法规则(语言模型)。\n匹配单元253根据字典数据库255中的词典连接存储在声音模型数据库 254中的声音模型，因此形成词声音模型(词模型)。此外，匹配单元253根 据存储在语法数据库256中的语法规则连接几个词模型，然后根据连续密度 HMM执行所连接的词模型和时序特征向量之间的匹配，由此识别通过传声 器82接收的语音。换句话说，匹配单元253从上述产生的词模型中计算用于 指示存储在特征向量缓冲器252中的时序特征向量的所观察的似然性的分 数。例如，匹配单元253检测具有最高分数的词模型序列，并且输出对应于 词模型序列的词序列作为语音识别的结果。\n将参照图10的流程图描述当将与接入点2的通信状态通知用户时机器人 5的操作。\n在步骤S1中，机器人5的主控制器61根据通过通信单元105从接入点 2接收的信号开始测量通信质量(如，无线电信号强度或差错率)。在该实例 中，以几十秒的间隔测量通信质量。\n在步骤S2中，机器人5的主控制器61确定是否在预定时间T或更长时 间内连续测量到预定阈值th(当无线电信号强度指示通信质量时的预定强度， 或者当差错率指示通信质量时的预定差错率)或更低的通信质量。如果是， 则操作前进到步骤S3。\n在步骤S3中，机器人5的主控制器61产生语音指令信息以便允许机器 人5产生用于指示机器人5不能与接入点2通信的语音，如“我不能看见接 入点。我该怎么办”的话音消息，并且还根据信息通过规则执行语音合成。 然后，主控制器61向扬声器72提供合成的语音，从而输出语音。因此，机 器人5产生话音消息“我不能看见接入点。我该怎么办”。\n当机器人5离开接入点2时，还可以允许机器人5产生话音消息“我不 能看见接入点。我能不去这里么？”。如上所述，进一步考虑机器人5的当前 动作的消息内容确定要从机器人5产生的话音消息，因此导致机器人5的更 自然的语音。\n在步骤S4中，机器人5的主控制器61处于等待模式，直到主控制器61 从用户接收到指令为止。当从用户接收指令时，操作前进到步骤S5。主控制 器61根据指令确定动作，产生对应于确定的动作的详细内容的动作指令信 息、态度改变指令和控制信号，并且将控制信号发送到各个传动臂A。因此， 机器人5响应于用户的指令采取动作。\n例如，当机器人5看来冰箱放置在接入点前面时，用户发出指令来防止 该情况，如说“向左走10步”。如果微波炉放置在机器人5行动的位置附近， 用户说，如“停止”(并且用户关闭微波炉)。当机器人5离开接入点2并产 生话音消息“我不能看见接入点。我不必去这里吗？”，用户说“别去那里”。\n当机器人5接收上述语音时，机器人5识别语音作为指令。例如，响应 于指令“向左走10步”，机器人5仅向左移动10步(重复十次腿部单元14A 向左移动一步并且腿部单元14B向左移动一步的操作)。响应于“停止”或“不 要去那里”的指令，机器人5停止当前动作。在允许机器人5根据用户语音 行动之前，机器人5可以产生用于指示机器人5已经识别用户指令的话音消 息，如“是，明白”。\n上述例子涉及机器人5使用机器人5不能与接入点2通信的事实的语音 通知用户的情况。此外，机器人5可以执行预定的动作(姿势)，如摇头12。\n如上所述，机器人5使用自动机器人特有的功能通知用户通信质量的状 态。因此，用户可以容易地获得通信状态。\n在本说明书中，描述程序的步骤不仅包括根据描述的次序基于时序执行 的步骤，还包括不需要基于时序执行，而是同时或独立执行的步骤。\n在本说明书中，系统定义为每一个包含多个单元的装置的统一整体。\n工业实用性\n根据本发明，可以很容易通知用户，如通信状态。