控制機器人的系統和方法

2023-05-05 02:02:16

專利名稱：控制機器人的系統和方法
1、發明領域本發明涉及用於控制機器人的計算機執行方法。更具體而言，本發明涉及通過明顯地將高級程式語言轉變為可直接由機器人執行的低級語言硬體命令來控制機器人的方法。
2、相關技術描述儘管普遍認為機器人已經而且正在被開發用於大量的行為，但是迄今為止很少甚至沒有進行關於被分派執行不需要與它們的環境進行複雜交互的行為的機器人的研究。在現有技術中，定義機器人語言的開端已被劃分為兩個趨向開發者以低級來定義機器人的動作和反應(即硬體需要執行什麼動作或需要什麼傳感器來處理刺激)；或者他們定義用於任務描述的複雜的高級語言(例如任務描述語言)，旨在解決其中動作需要同步的高度複雜的任務。兩種方法都不滿足用戶想要使用機器人進行不需要與環境進行複雜交互的簡單行為的需要。這種行為例如可以包括售貨員機器人、烹飪機器人和清潔機器人。對於這些行為而言，理想的是不具有特定編程技巧的用戶能夠僅僅使用高級語言語句來操作機器人進行銷售演示或烹飪示範，所述用戶例如是藝術家或廣告執行者。因此，需要某種裝置來將高級語言命令轉換為可由機器人直接執行的低級語言命令。本發明致力於達到這些和其他目的。
本發明致力於一種使用高級程式語言控制機器人的計算機執行的系統和方法。本發明定義了三種程式語言，即兩種高級語言和一種低級語言。第一高級程式語言在本文中稱為機器人情景語言(RSL)，在該語言中終端用戶根據高級行為或動作創建機器人演示。第二高級語言在本文中稱為機器人行為語言(RBL)，它包括多個模板，所述模板用於描述高級(RSL)語言中的每個高級行為或動作將如何被轉換或映射為用於直接控制機器人硬體的低級語言命令。低級語言在本文中稱為機器人硬體語言(RHWL)。
根據本發明的一個方面，一種使用高級程式語言控制機器人的方法包括以下步驟將定義所述機器人要執行的行為的第一組編程語句作為第一輸入提供給轉換引擎(transformation engine)；將包括定義用於解釋所述行為的規則的行為模板的第二組編程語句作為第二輸入提供給所述轉換引擎；以及在轉換引擎中，根據所述定義的規則轉換所述行為以產生用於直接控制所述機器人的第三組機器人命令。
根據本發明的另一個方面，一種使用高級程式語言控制機器人的系統，所述系統包括用於將定義所述機器人要執行的行為的第一組編程語句作為第一輸入提供給轉換引擎的裝置；用於將包括定義用於解釋所述行為的規則的行為模板的第二組編程語句作為第二輸入提供給所述轉換引擎的裝置；以及用於在轉換引擎中根據所述定義的規則轉換所述行為以產生用於直接控制所述機器人的第三組機器人命令的裝置。
本發明所提供的一個優勢在於為在編程方面不具有特定的專門知識的用戶提供一種能力，即通過只使用高級RSL程式語言來構造機器人演示，而無需掌握神秘的高級任務描述語言語句或低級程式語言語句。
本發明的另一個優勢在於機器人可以被容易地修改或升級。設想由有毛病的元件引起的機器人故障的情況。替換元件也許不遵循與原始元件相同的規範。通常，這將需要以機器人的本機語言重寫低級代碼以適應新元件規範的不同，這既費時又容易出錯。本發明通過藉助於RBL模板語言來僅僅改變映射，從而僅僅改變高級(RSL)程式語言和低級(RHWL)語言之間的映射來克服這個缺陷。通過只修改RBL模板來適應新元件的不同規範，消除了用戶不得不重寫低級代碼的工作。RBL語言在某種意義上提供了一個抽象層。
本發明提供的另一個優勢在於在具有不同硬體配置的各種機器人平臺上獲得一致的行為結果的能力。作為一個例子，設想高級語言行為指示機器人「從它的當前位置移動10英尺」。對於任何機器人都可獲得這個一致的行為結果而無論其內部硬體配置如何。這種能力是通過低級和高級語言之間的分離而提供的。
本發明非常適合於其中機器人被用於執行不需要與環境進行複雜交互的不複雜任務的應用。例如，這種應用可以包括機器人作為銷售員、廚師、清潔工，或用於使用CNC機器的製造過程中。然而，本發明並不固有地限於特定類別的應用。
結合附圖並參照以下對本發明實施例的詳細描述，本發明的上述特點將更為顯而易見並可以被理解，其中

圖1說明用於以RSL語言創建高級機器人演示的計算機終端顯示屏的快照圖像；圖2是說明用於將高級RSL指令和相關的RBL行為模板轉換為低級RHWL指令以直接控制機器人的硬體的過程的流程的框圖；以及圖3是用於所說明實例的圖2的過程框42的更詳細的說明。
在對本發明的以下詳細描述中，陳述了多個具體的細節以便提供對本發明的全面理解。然而，對於本領域的技術人員而言，顯而易見的是本發明可以在沒有這些具體細節的情況下實現。在一些例子中，公知結構和設備以框圖的形式示出而不詳細說明，以避免模糊本發明。
本發明在其最主要的應用中利用了三種程式語言，第一語言通常可以稱為高級程式語言，第二語言通常可以稱為高級模板語言以及第三程式語言通常稱為低級程式語言。這三種程式語言形成了用於通過高級程式語言控制機器人行動的基礎或結構。
在本文中將在可擴展標記語言(XML)的背景下描述本發明的原理。XML是給出大量現有基礎結構的優選實施方式。然而，要理解的是，XML實施例是非限制性的示例性實施例。
如上所述，本發明定義了三種程式語言和它們的使用方法。以下將定義每種語言。
A、機器人情景語言(RSL)RSL語言是高級程式語言，其被構造為易於不具有特定編程技巧的非專業終端用戶使用。例如，它為了被創造性/藝術性的人們使用而開發，這些人幾乎不熟悉程式語言或對程式語言幾乎不感興趣，但又希望為了許多目的而創建機器人演示，所述目的包括在例如購物商場或公園或在電影院的大廳中進行要實施的銷售示範。
高級RSL程式語言的一個值得注意的特徵是，由於是高級語言，因此語言語句是在不考慮或不涉及特定機器人的特性或能力的情況下寫出的。高級語言命令描述機器人的行為而不需要指定如何實現行為。例如，RSL語言語句通常定義由機器人執行的常見行為，例如「跑」、「笑」、「眨眼」、「跳舞」等等。語句可以進一步包括標準行為的變體，舉例來說，例如定義各種類型的跳舞，比如鄉村舞、搖擺舞、慢舞，或者多種類型的笑，比如「捧腹大笑」或「吃吃的笑」等等。
圖1說明坐在計算機終端前想要創建機器人網絡演示的終端用戶可以如何使用RSL語言的實施例。圖1說明運行用於創建機器人演示的程序的計算機終端顯示屏10的快照圖像。如所示，用於定義想要的機器人動作的可選圖標20的選項板定義在顯示屏10的上部，包括「跑」圖標11、「跳」13、「笑」15等。用戶將僅僅通過將可選圖標抓取並拖入想要的演示序列35中來創建機器人演示。圖1的快照圖像說明終端用戶已經創建了部分機器人網上演示，該網上演示包括四個圖標，其命令機器人以如時間軸指示的順序首先「跳」36、「笑」37、「嘆息」38和「滾動眼球」39。使用簡化的圖標驅動方式，機器人演示可以以直接易於理解的方式創建。
根據本實施例，機器人行動的深奧的部分在應用級別是完全透明的。一旦完成，則基於RSL的高級演示可以被存儲以備後用和/或修改。也可以考慮，RSL文件一旦被創建，則可以電子地傳送到一個或多個遠程位置以用於指導特定機器人的行為。
B、RBL模板語言RBL語言由用於定義可以如何實現RSL高級語言命令的行為模板組成。也就是說，RBL行為模板描述高級(RSL)語言中的每個高級行為或動作如何被轉換或映射為低級語言命令以直接控制機器人的硬體。RBL行為模板由一個或多個規則組成。例如，一個用於映射「笑」的RSL命令的RBL行為模板可以包括用於指示機器人將他的嘴的外部向上移動的第一規則以及指示機器人顯示他所有的牙齒的第二規則。
RBL模板與RSL命令以多對一的關係存在。換句話說，每個RSL命令可以具有多個規定不同組的規則來執行相同行為的RBL模板。參照前面的例子，「笑」的第二RBL行為模板可以包括用於指示機器人快速地上下移動它的臉頰的規則。顯然，對為特定RSL命令可以創建的不同RBL模板的數量或種類沒有限制。
假定RBL行為模板的創建和保存涉及某種程度的編程的專門知識，則可以想像RBL行為模板可以由獨立的且不同於創建機器人情景的人們的實體創建和保存。
C、RHWL語言本發明的第三程式語言是低級機器人硬體語言(RHWL)，用於直接控制機器人的硬體。這實際上是機器人的本機語言。RHWL語言代表機器人能夠執行的低級指令的全體。
D、一個實施例為了說明根據一個實施例的本發明的操作，提供了一個實例，在該實例中三種程式語言中的兩種(即RSL和RHWL)被描述為XML語言實施例，而第三程式語言被描述為可擴展樣式表(stylesheet)語言(XSL)實施例。假定可擴展基礎結構目前是可用的，則XML是優選現在參照圖2，示出了處理流程圖200，其描述了一種用於通過高級程式語言遠程控制機器人(稱為Stan)的動作的計算機執行的系統和方法。
在所說明的例子中，終端用戶想要構造包含單個動作的機器人演示，即拍一張照片。該例子是故意簡單化的，以便不至於模糊本發明的原理。
在所說明的例子中，假定機器人(Stan)具有照相的能力(即頭部的攝像機)，並根據預想的機器人銷售演示而需要為旁觀者拍照。
首先，假定不熟悉程式語言或對程式語言不感興趣的終端用戶18的任務是創建一個機器人銷售演示。用戶可以在以上參照圖1所述的圖標驅動程序的幫助下創建機器人銷售演示以產生終端產品，RSL文件20包括以第一高級程式語言所寫的一系列動作(行為)。所述動作或行為序列共同定義了機器人演示。在本例中，機器人銷售演示包括一個單個動作，就是由機器人41照相。然而要理解的是，在更為實際的例子中，該情景可能包括要由機器人41執行的數百個動作。
在本例中，用戶可以使用圖標驅動程序，以便通過從可選圖標的選項板只選擇「照相」圖標17以包含在演示流35中來創建用於拍照的機器人演示。用戶18可以將演示流保存為RSL文件20，其被命名為例如「我的演示。rsl」。在XNL實施例中，定義用於「照相」的機器人銷售演示的RSL文件20可以包括下列代碼序列。
表I代碼行代碼1RSL
2stan xmins＝」www.philips.com/Robots/STAN
3stan:playTake_Picture/stan:play
4/stan
5/RSL
編碼語句(1-5)是使用XML實施例的RSL程式語言寫的。編碼語句(1-5)的一般結構是編程領域中公知的，並且將不進一步描述。然而，其中重要的是下述事實編碼語句3定義了用於與照相即「Take-Picture」相關的高級「行為」的高級語言RSL程式語言命令。然而，編碼語句不提供關於照相的「行為」如何由機器人來實施或執行的細節或特性。
關於這一點已描述的是創建用高級RSL程式語言寫的高級機器人銷售演示。
如上所述，機器人41本身不能處理高級語言RSL命令。機器人41隻能藉助於低級機器人硬體語言(RHWL)命令進行操縱或控制。因此，本發明提供一種機制以將高級RSL命令轉化或映射為能夠由機器人本身處理的低級機器人硬體語言命令。用第二高級語言寫的RBL行為模板提供了這種映射。也就是說，RBL行為模板包括用於定義如何解釋高級語言RSL命令的規則。
在本例中，一個單個RBL行為模板是由用於解釋RSL命令「照相」的第二高級程式語言如下創建的
表II代碼行代碼1RBL
2xsl:template match＝」stan:play」
3 xsl:if test＝」parent::nodeO[stan:play＝'take picture']」
4xsl:element name＝」cam:tilt」40/xsl:element
5xsl:element name＝」cam:pan」20/xsl:element
6xsl:element name＝」cam:take picture」/xsl:element
7xsl:if
8/xsl:template
9/RBL
編碼語句(1-9)是使用XSL語言實施例的RBL程式語言寫的。編碼語句(1-9)的一般結構是編程領域中公知的。表II中重要的語句包括3和4-6。首先，編碼語句3定義了「照相」行為的匹配行為模板。根據本發明的原理，在轉化過程期間，RSL文件20中的每個行為必須與RBL文件中的匹配行為模板相匹配。RBL文件由大量的模板組成，所述模板為用RSL語言寫的所有預期行為定義映射。
在本例中，RSL文件20由轉換引擎26分析以選擇在其中包括的每個行為。對於每個RSL行為，RBL模板文件22被查詢以定位匹配RSL行為的行為模板。一旦找到匹配的行為模板，則與匹配模板相關的規則被用於轉換引擎26中以部分地構造RHWL文件30，所述RHWL文件30包括直接控制機器人以例如「照相」的低級硬體命令。再次參照表Ⅱ，用於照相的RBL行為模板包括在4-6行規定的三個規則，其將「Take-picture」以某種方式解釋為三個操作(1)傾斜照相機40度，(2)將照相機搖動鏡頭(pan)20度以及(3)照相。
通常，XSL轉換引擎26具有兩個輸入，第一輸入用於接收高級語言RSL文件20，以及第二輸入用於接收RBL模板文件22。XSL轉換引擎26是用於根據RBL行為模板執行將RSL行為轉換(映射)為使用用於直接控制機器人動作的機器人本機語言的單組低級機器人硬體命令(RHWL文件30)的機構。在本例中，如下是由上述過程產生的RHWL文件30
表III代碼行代碼1 RHWL
2 camera xmins＝」www.philips.com/robot/camera/specificCamera」3tilt40tilt
4pan20pan
5takepicture
6 /camera
7 /RHWL
編碼語句(1-7)通過分配單元34被提供給機器人控制器的機器人硬體處理器35單元，並且是使用XML實施例的RHWL編程語句寫的。編碼語句的結構是編程領域中公知的。值得注意的是語句3和4，它們定義了用於直接控制機器人動作的低級機器人硬體語言語句。具體而言，RHWL語句(3)和(4)指導機器人41傾斜它的頭部40度並接著將它的頭部搖動鏡頭20度。
圖2中也顯示了視頻24和音頻28文件，所述視頻和音頻文件可以作為音頻25和視頻流29包括在機器人演示中，以作為輔助文件下載到機器人控制器41中以用於向機器人演示40提供對視頻和音頻的加強。
圖3是用於所說明例子的圖2的過程框42的更詳細的說明。值得注意的是，對於本發明的XML實施例，其處理流程類似於使用XSLT轉換引擎處理XML資源文檔和XSL樣式表的技術。如本領域技術人員所公知的那樣，XSLT轉換引擎用於將XML文檔轉換為其他類型的文檔。特別是，XSLT提供將原始XML數據轉換為另一類型的文檔如符合規範的HTML文檔的能力。XSLT轉換引擎通過將XML文檔作為輸入源並將XSL樣式表應用於它以產生轉換的輸出(例如符合規範的HTML文檔)作為最終產品而運行。XSL樣式表包含模板，每個模板指示規則並被利用一個匹配模式被指定。當XSLT轉換引擎找到匹配XSL樣式表中的模板模式的源XML數據時，XSLT轉換引擎就將模板的樣式規則應用於該數據一提取XML數據，過濾掉不想要的部分，並將數據處理為某種可演示的布局。以類似的方式，如圖3中所示RSL文件20是一種類型的XML文檔。圖3的RBL文件22類似於XSL樣式表。根據本發明的原理，當XSLT轉換引擎找到匹配模板模式(RBL模板)的源XML數據(RSL命令)時，XSLT轉換引擎就將模板的樣式規則(RBL模板規定的行為)應用於XML數據(RSL命令)，並從中產生RHWL命令，即RHWL文件30。
因此，已經描述了使用高級程式語言控制機器人的計算機執行的系統和方法，對於本領域的技術人員來說顯而易見的是，已經實現了本發明的系統和方法的某些優點。上述內容只作為本發明的說明性實施例。在不背離本發明的基本原理或範圍的情況下，本領域的技術人員能夠容易地設想出提供與本實施例類似的功能的可替換方案。
權利要求
1.一種用於控制機器人(41)的計算機執行的方法，所述方法包括以下步驟(a)將定義所述機器人(41)要執行的行為的第一組編程語句(20)作為第一輸入提供給轉換引擎(26)；(b)將被組織為多個定義用於解釋所述行為的規則的行為模板的第二組編程語句(22)作為第二輸入提供給所述轉換引擎(26)；以及(c)在所述轉換引擎(26)中，根據所述定義的規則轉換所述行為以產生用於直接控制所述機器人(41)的第三組機器人編程語句(30)。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述第一組編程語句(20)是用第一高級程式語言寫的。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述第二組編程語句(20)是用第二高級程式語言寫的。
4.如權利要求2所述的方法，其中所述第一組編程語句是以可擴展標記語言(XML)的形式，而第二組編程語句是以可擴展樣式表語言(XSL)的形式。
5.如權利要求3所述的方法，其中所述第一組編程語句是以可擴展標記語言(XML)的形式，而第二組編程語句是以可擴展樣式表語言(XSL)的形式。
6.如權利要求1所述的方法，其中來自所述第一組編程語句(20)的所述定義的行為之一與來自所述第二組編程語句(22)的所述多個行為模板中的一個或多個相關。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述第三組機器人編程語句(30)是用由所述機器人(41)直接可執行的低級機器人硬體語言寫的。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述轉換步驟(c)進一步包括以下步驟(1)從所述第一組機器人編程語句(20)中順序地選擇所述行為；(2)對於在所述步驟(1)中所選擇的每個行為，搜索所述多個行為模板(22)以定位匹配所述選擇的行為的行為模板；以及(3)將在所述步驟(2)中的所述匹配行為模板應用於在所述步驟(1)中所述選擇的行為，以產生至少一部分用於直接控制所述機器人(41)的所述第三組機器人命令(30)。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述第一組機器人編程語句(20)是從高級描述文件(20)中選擇的。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述第一組機器人編程語句(20)共同包括要由所述機器人(41)執行的機器人演示(40)。
11.如權利要求10所述的方法，進一步包括將所述至少一部分的所述第三組機器人命令(30)與音頻(29)和/或視頻多媒體流(25)中的至少一個相結合以用於所述機器人演示(40)的步驟。
12.一種藉助於高級程式語言控制機器人的系統，該系統包括用於將定義所述機器人要執行的行為的第一組編程語句(20)作為第一輸入提供給轉換引擎(26)的裝置；用於將被組織為多個定義用於解釋所述行為的規則的行為模板的第二組編程語句(22)作為第二輸入提供給所述轉換引擎(26)的裝置；以及用於在所述轉換引擎(26)中根據所述定義的規則轉換包括的所述行為以產生用於直接控制所述機器人(41)的第三組機器人編程語句(30)的裝置。
13.如權利要求12所述的系統，其中所述用於轉換的裝置進一步包括用於從所述第一組機器人編程語句(20)中順序地選擇所述行為的裝置；用於對所選擇的每個行為搜索所述多個行為模板(22)以定位匹配所述選擇的行為的行為模板的裝置；以及用於將所述匹配行為模板應用於所述選擇的行為以產生至少一部分用於直接控制所述機器人(41)的所述第三組機器人命令(30)的裝置。
14.如權利要求13所述的系統，其中所述行為模板是在第一高級描述文件(20)中搜索的。
15.如權利要求13所述的系統，其中所述行為是從第二高級描述文件(22)中選擇的。
全文摘要
本發明致力於一種使用高級程式語言控制機器人(41)的計算機執行的系統和方法。本發明定義了三種程式語言，即兩種高級語言和一種低級語言。第一高級程式語言在本文中稱為機器人情景語言(RSL)(20)，終端用戶(18)以該語言根據高級行為或動作創建機器人演示(40)。第二高級語言在本文中稱為機器人行為語言(RBL)，包括多個用於描述以高級(RSL)語言的每個高級行為或動作將如何被轉換或映射為用於直接控制機器人(41)硬體的低級語言命令的模板。低級語言在本文中稱為機器人硬體語言(RHWL)。
文檔編號G06N3/00GK1729035SQ200380106637
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月4日 優先權日2002年12月19日
發明者Y·阿薩發蒂, O·奇帕拉, A·亞斯辛 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司