CN101689053A - 路径计划装置、路径计划方法以及移动体 - Google Patents

Abstract

提供一种当搭载在机器人等移动体上时能够使其表现出自然的移动动作的路径计划装置、路径计划方法、以及搭载有路径计划装置的移动体。路径计划装置(20)包括：路径引导区域设定部(21)，其在机器人的一侧或两侧设定第一移动禁止区域，该第一移动禁止区域辅助移动路径的生成；以及路径决定部(25)，其以使机器人不在路径引导区域内移动的方式决定到目标位置的移动路径。路径引导区域设定部(21)以使路径引导区域的外周通过所述机器人中心的方式设定路径引导区域。

Description

路径计划装置、路径计划方法以及移动体

技术领域

本发明涉及用于例如由能够自主移动的机器人等移动体根据周围的状况来决定移动路径的路径计划装置、路径计划方法以及搭载有该路径计划装置的移动体。

背景技术

自主型等类型的机器人识别自己身体周围的环境来制定路径计划，并按照该路径计划移动。以往，作为这种机器人上所搭载的路径计划装置，在专利文献1中记载了将利用用于判定诸如在与地面有高低差的区域中能否移动的环境地图来计划移动路径为目的的技术。

专利文献1中所记载的技术包括：从视差图像或距离图像中算出平面参数并抽取包括地面在内的多个平面的多个平面抽取部；识别包括地面在内的多个平面上的障碍物的障碍物识别部；基于障碍物识别部的识别结果来生成和更新每一个平面的环境地图的环境地图更新部；以及基于这些环境地图进行路径计划的路径计划部。此外，关于某一区域，当在地面的环境地图上发现了障碍物、但在其他平面的环境地图上没有发现障碍物时，路径计划部将该区域作为移动路径的候选。通常，在这种路径计划装置中，从起点至终点生成最短路径。

专利文献1：日本专利申请早期公开特开2005-92820号公报。

发明内容

发明要解决的问题

但是在专利文献1所记载的技术中，没有考虑移动式机器人的当前位置、移动半径等，有时会计划出包含机器人难以追随的急转弯的路径。

即，生成起点至终点的移动路径时通常利用最短路径搜索方法，但在以往的最短路径搜索中，为了生成起点至终点的最短路径，有时也会生成诸如包含急转弯的移动路径。然而就车轮移动式机器人来说，难以追随这种诸如包含急转弯的移动路径。

另外，当如专利文献1那样生成诸如避开障碍物的移动路径时，会与机器人的位置无关地生成连接起点和终点的最短路径。因此，当有移动式障碍物时，有时会生成不通过机器人的当前位置的路径。此时，机器人向路径方向急转向，表现出不自然的动作。如此，在以往的最短路径搜索算法中，由于没有考虑机器人的当前位置、旋转半径等，因此存在会生成包含急转弯的路径的问题。

本发明就是为了解决这样的问题而作出的，其目的在于，提供一种当搭载在机器人等上时能够使其表现出自然的移动动作的路径计划装置、路径计划方法、以及搭载有路径计划装置的移动体。

解决问题的手段

本发明涉及的路径计划装置包括：移动禁止区域设定部，所述移动禁止区域设定部在移动体的一侧或两侧设定第一移动禁止区域，所述第一移动禁止区域辅助移动路径的生成；以及路径决定部，所述路径决定部以使所述移动体不在所述第一移动禁止区域内移动的方式决定到目标位置的移动路径；所述移动禁止区域设定部以使所述移动路径通过所述移动体中心的方式设定所述第一移动禁止区域。

在本发明中，例如在机器人装置等移动体中设定第一移动禁止区域，该第一移动禁止区域引导移动路径的生成，以使移动体的移动路径通过该移动体中心，由此防止生成不包含移动体中心的移动路径。

另外，所述移动禁止区域设定部可以在所述第一移动禁止区域的外周夹持所述移动体中心的两侧设置所述第一移动禁止区域，或者以使所述第一移动禁止区域与所述移动体所占有的区域相切的方式在所述移动体的两侧设置所述第一移动禁止区域。由此，例如在用点坐标等表示移动体的系统的情况下在夹持移动体中心的两侧设置第一移动禁止区域，在不用点坐标表示的系统的情况下，以使第一移动禁止区域与该移动体所占有的区域相切的方式设置第一移动禁止区域，由此能够生成通过移动体中心的移动路径。

另外，所述路径计划装置还可以包括区域调整部，该区域调整部根据所述移动体的动作而调整所述第一移动禁止区域的大小。例如在搭载人的情况，搬运重物的情况、搬运类似饮料的液体等情况下等等，根据各种动作来调整移动禁止区域的大小，从而能够缓慢转向，或者允许急转向。

另外，所述区域调整部能够根据所述移动体的移动速度来调整所述第一移动禁止区域的大小。

另外，所述第一移动禁止区域可以是圆形或椭圆形的区域。此时，所述区域调整部可以进行调整，使得所述移动体的移动速度越快，构成所述第一移动禁止区域的圆形或椭圆形的半径大小就变得越大。由此，当移动速度快时，禁止急转向，抑制机器人发生滑移或跌倒。

另外，所述路径计划装置还可以包括检测障碍物的障碍物检测部，所述移动禁止区域设定部可以在由所述障碍物检测部检测出的障碍物的周围设定第二移动禁止区域。由此，能够将机器人的坐标表示为点坐标，能够降低各种计算处理的负荷。

另外，所述第二移动禁止区域可以是包含所述障碍物的圆形或椭圆形的区域。此时，所述区域调整部可以进行调整，使得所述移动体的移动速度越快，构成所述第二移动禁止区域的圆形或椭圆形的半径大小就变得越大。

本发明涉及的路径计划方法包括：移动禁止区域设定步骤，所述移动禁止区域设定步骤在移动体的一侧或两侧设定所述第一移动禁止区域，所述第一移动禁止区域辅助移动路径；以及路径决定步骤，所述路径决定步骤以使所述移动体不在所述第一移动禁止区域内移动的方式决定到目标位置的路径；在所述移动禁止区域设定步骤中，以使所述移动路径通过所述移动体中心的方式设定所述第一移动禁止区域。

本发明涉及的移动体包括：生成移动路径的路径计划单元；以及基于由所述路径计划部生成的移动路径来移动的移动单元；所述路径计划单元包括：移动禁止区域设定部，所述移动禁止区域设定部在移动体的一侧或两侧设定第一移动禁止区域，所述第一移动禁止区域辅助移动路径的生成并且使所述移动路径通过所述移动体中心；以及路径决定部，所述路径决定部以使所述移动体不在所述第一移动禁止区域内移动的方式决定到目标位置的移动路径。

发明效果

根据本发明，能够提供一种当搭载在机器人等移动体上时能够使其表现出自然的移动动作的路径计划装置、路径计划方法、以及搭载有路径计划装置的移动体。

附图说明

图1是示出本发明实施方式涉及的双腿行走型机器人的立体图；

图2是示出本发明实施方式涉及的机器人的框图；

图3是示出本发明实施方式涉及的路径计划装置的框图；

图4是用于说明由本发明实施方式涉及的路径计划装置的路径引导区域设定部设定的路径引导区域和由本发明实施方式涉及的路径计划装置的禁止区域设定部设定的禁止区域的图；

图5A是示出由本发明实施方式涉及的路径计划装置的路径引导区域设定部设定的路径引导区域的图，示出了速度慢的情形；

图5B是示出由本发明实施方式涉及的路径计划装置的路径引导区域设定部设定的路径引导区域的图，示出了速度快的情形；

图5C是示出由本发明实施方式涉及的路径计划装置的路径引导区域设定部设定的路径引导区域的图，示出了路径引导区域的另一例；

图6是示出本发明实施方式涉及的路径计划方法的流程图。

标号说明

1机器人

2头部单元

3a、3b臂部单元

4a、4b腿部单元

5躯干部单元

6摄像部

12图像识别模块

13路径计划模块

14行动决定模块

15语音识别模块

20路径计划装置

21路径引导区域设定部

22区域调整部

23障碍物检测部

24禁止区域设定部

25路径决定部

31a、31b路径引导区域

40障碍物

41禁止区域

51路径

52曲线路径

101控制部

102输入输出部

103驱动部

104电源部

105外部存储部

121相机

122内置麦克风

123扬声器

125传感器部

131马达

132驱动器

141电池

142电池控制部

具体实施方式

下面，参考附图对应用了本发明的具体实施方式进行详细的说明。该实施方式是将本发明应用在搭载了路径计划装置并例如可通过车轮等而移动的机器人装置的例子，其中路径计划装置可使机器人装置表现出自然的移动动作。

本实施方式涉及的路径计划装置在机器人的两侧设定圆形的路径引导区域，该路径引导区域在生成移动路径时禁止作为路径。而且，当计划至目标位置(终点)的路径时，通过将路径设定在该路径引导区域以外的区域，即使有障碍物也不生成诸如急转向的路径，并且通过速度越快，将路径引导区域设定得就越大，使得机器人表现出更自然的动作。这里，首先说明搭载这种路径计划装置的机器人。

图1是示出本发明实施方式涉及的机器人的立体图。如图1所示，在机器人1的躯干部单元5的预定位置连结有头部单元2、左右两个臂部单元3a和3b、以及左右两个腿部单元4a和4b。本实施方式的机器人1被构成为可通过内置于腿部单元4a、4b中的车轮移动。机器人也可以是双腿或四腿行走型的机器人。

头部单元2具有摄像部6，从而可对周围预定范围进行摄像。另外，头部单元2具有图中没有示出的麦克风、扬声器等，从而可识别来自用户的呼唤，或对其进行回答。头部单元2被连接成在与地面平行的平面内相对于躯干部单元5可向左右方向转动，从而能够通过转动头部单元2来根据情况改变摄像范围，并对周围的环境进行摄像。

由被包含在内置于躯干部单元5内的控制部中的计算处理部按照预定的控制程序来控制各臂部单元3a、3b中包含的关节部和各腿部单元4a、4b中包含的车轮所驱动的量，并决定各关节的关节驱动角度和车轮的旋转角度，由此臂部单元3a、3b和腿部单元4a、4b取期望的位置和姿态。

图2是示出本实施方式涉及的机器人的框图。如图2所示，机器人1包括控制部101、输入输出部102、驱动部103、电源部104、以及外部存储部105等。

输入输出部102包括由用于获取周围的影像的CCD(Charge CoupledDevice)等构成的相机121、一个或多个用于收集周围的声音的内置麦克风122、用于通过输出语音来与用户进行对话等的扬声器123、用于表现对用户的应答或感情等的LED 124、以及由接触传感器等构成的传感器部125等。

另外，驱动部103具有马达131、以及驱动马达的驱动器132等，其按照用户的指示等使腿部单元4a、4b和臂部单元3a、3b动作。电源部104具有电池141、以及控制电池141的充放电的电池控制部142，用于向各部供应电源。

外部存储部105包括可装卸的HDD、光盘、光磁盘等，用于存储各种程序、控制参数等，并将这些程序、数据根据需要提供给控制部101内的存储器(没有图示)等。

控制部包括CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、以及用于无线通信的接口等，该控制部控制机器人1的各种动作。此外，该控制部101包括：例如依照存储在ROM中的控制程序来对相机121所获取的影像进行分析的图像识别模块12、基于各种识别结果进行路径计划的路径计划模块13、基于各种识别结果选择应采取的行动的行动决定模块14、以及进行语音识别的语音识别模块15等。

这里，本实施方式的机器人1在路径计划模块13中通过设定路径引导区域来生成使其表现出自然的动作的移动路径。下面，对本实施方式的路径计划模块进行详细的说明。图3是示出本实施方式涉及的路径计划装置的框图。这里，将路径计划模块作为路径计划装置进行说明，但各方框的处理可通过使CPU执行计算机程序来实现。此时，计算机程序既可以通过存储在存储介质中来提供，另外，也可以通过经由互联网等其它传输介质的传输来提供。

如图3所示，路径计划装置20包括：路径引导区域设定部21、区域调整部22、障碍物检测部23、禁止区域设定部24、以及路径决定部25。图4是用于说明由路径引导区域设定部21设定的路径引导区域和由禁止区域设定部24设定的禁止区域的图。

路径引导区域设定部21在作为移动体的机器人的一侧或两侧设定作为第一移动禁止区域的路径引导区域。该路径引导区域是其外周通过该机器人中心并用于辅助移动路径的生成的区域，在本实施方式中，在机器人1的左右侧设定相同形状的路径引导区域31a、31b。该路径引导区域31a、31b是引导机器人1所搜索的移动路径以使该移动路径经过机器人1的当前位置(机器人中心)的虚拟的移动禁止区域。在本实施方式中，机器人1在夹持该机器人中心的两侧设定路径引导区域，但例如如果是诸如仅向一个方向旋转的机器人，也可以仅在进行旋转的方向上设定路径引导区域。另外，本实施方式的机器人1以点坐标表示自己，并由此夹持该点坐标(机器人中心)设定路径引导区域，但在机器人诸如用一定的线段或与机器人对应的区域表示自己的坐标的情况下，可以以使该机器人所占有的区域和路径引导区域相切的方式设定路径引导区域。

区域调整部22根据机器人的动作来调整路径引导区域31a、31b的大小。在本实施方式中，按照机器人1的移动速度越快就越使路径引导区域31a、31b的大小变大的方式控制路径引导区域31a、31b的大小。即，如果机器人1的移动速度快，则难以追随具有更急剧的转弯等的路径。由此，根据速度来调整路径引导区域31a、31b的大小，使得能够表现出自然的动作。图5A～图5C是示出路径引导区域的图，一旦机器人1的移动速度变快，区域调整部22就将其设定区域从图5A所示的路径引导区域扩大为图5B所示的路径引导区域。

另外，如图5C所示，路径引导区域31a、31b不限于圆形区域，只要是仅由被平滑曲线包围了的凸面构成的区域即可，例如也可以设为椭圆形的区域。当设为椭圆形的区域时，可以将长轴设为与机器人1的移动方向垂直的方向。通过将与机器人1的移动方向垂直的方向作为长轴，能够防止机器人1从路径引导区域的后面绕过而设定路径。

并且，例如如果是车轮型的移动式机器人，则通常根据车轮的转速来测量移动距离。由此，如果发生滑移则无法测量正确的移动距离，因此重要的是不发生滑移地进行移动。由此需要设定路径引导区域，以使机器人1以不滑移、不跌倒的速度旋转移动。

这里，将一旦施加给机器人1，机器人1就会跌倒的最小的力设为跌倒力，将一旦施加给机器人1，机器人1就会滑移的最小的力设为摩擦力。另外，当将机器人1的质量设为m、将路径引导区域31a和31b设为圆形并将其半径设为r、将机器人1的移动速度设为v时，路径引导区域31a、31b的半径优选满足下式：

摩擦力·跌倒力≥m v 2/r。

即，如果导致滑移的摩擦力、导致跌倒的跌倒力变大，则更不容易滑移和跌倒，由此能够将路径引导区域31a、31b设定得小。相反，如果是容易发生滑移、跌倒的结构，则需要将路径引导区域31a、31b设定得大。

障碍物检测部23例如是传感器部125等，通过传感器来检测障碍物40。或者，通过图像识别模块12对相机121所获取的图像进行图像处理来识别障碍物40的大小、位置以及高度等。

禁止区域设定部24在由障碍物检测部23检测出的障碍物40的周围设定禁止区域41以作为第二移动禁止区域。与路径引导区域31a、31b同样，禁止区域41可以设为包含障碍物40的圆形区域，但不限于圆形，只要是仅由被平滑曲线包围了的凸面构成的区域即可。

路径决定部25生成从起点T1至终点T2的最短路径。路径生成方法可采用迪克斯特拉(Dijkstra)算法、A*搜索、DP匹配等公知的算法。这里，按照以往的技术，将生成路径51作为从起点T1至终点T2的最短路径。在此情况下，由于路径51不通过机器人1的当前位置，机器人1为了要追随该路径51而从当前位置向路径51急转向。这样的急转向对于机器人1来说是不自然的行动。

与此相对，在本实施方式中，机器人1不能在路径引导区域31a、31b中设定路径。从而，机器人1所生成的路径成为从起点T1通过机器人1的当前位置并朝向终点T2的平滑的曲线路径52，可实现自然的移动。

下面，对本实施方式涉及的路径计划方法进行说明。图6是示出本发明实施方式涉及的路径计划方法的流程图。如图6所示，通过外部传感器来测定机器人1周围的环境，检测机器人1周围的障碍物(步骤S1)。当通过该障碍物检测而检测到障碍物时，禁止区域设定部24在该障碍物的周围设定禁止区域。根据机器人1的移动速度来适当地设定该禁止区域的范围。

这里，在本实施方式中，使用将机器人1的坐标作为点坐标进行识别的系统。但机器人1实际是具有某一范围(区域)的移动体。对此，在本实施方式中，对障碍物设置禁止区域41这样的范围，以作为对用坐标点表示机器人1的补偿，从而使得机器人1的移动范围具有一定的范围。由此能够防止撞到障碍物等。如果使用将机器人1的坐标识别为机器人1的实际大小而不是点坐标的系统，则也可以不设置该禁止区域。

接着，通过路径引导区域设定部21在机器人1的两侧设定路径引导区域31a、31b。同时，区域调整部22根据机器人1的移动速度来调整路径引导区域31a、31b的大小。这里，区域调整部22不仅根据机器人1的移动速度，还可以根据机器人1动作的类型、环境、状况等来改变路径引导区域31a、31b的形状。例如，当人搭乘在机器人1上时，可以增大路径引导区域31a、31b的半径，以使机器人1缓慢地活动。或者，当搬运重物时，由于摩擦力增加，可以将路径引导区域31a、31b的半径设定得小。如此，也可以根据动作来设定路径引导区域31a、31b的半径。

最后，考虑路径引导区域31a和31b、禁止区域41，生成从起点T至终点T2的路径。所述一系列的路径生成动作例如以数毫秒或数秒一次的间隔进行，由此即使在周围的环境发生了变化的情况下也能够设定最优的路径。

在本实施方式中，诸如当以点坐标表示机器人时以使路径引导区域通过该坐标点(机器人中心)的方式设置路径引导区域，当不用点坐标表示时，以使路径引导区域与该机器人所占的区域相切的方式设置引导路径引导区域，并以使移动路径不通过该路径引导区域的方式设定移动路径，由此能够生成始终经过机器人的当前位置的移动路径。另外，通过根据机器人的移动速度来改变路径引导区域的曲率，能够表现出与速度相适应的动作，以便在速度快的情况下以缓和的转弯移动，在移动速度慢的情况下以小的旋转半径转弯。

本发明不限于上述的实施方式，不用说可在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种变更。

产业上的可利用性

本发明例如可广泛利用于由可自主移动的机器人等移动体根据周围情况来决定移动路径的路径计划装置、路径计划方法、以及搭载有该路径计划装置的移动体。

Claims (12)

1.一种路径计划装置，包括：

移动禁止区域设定部，所述移动禁止区域设定部在移动体的一侧或两侧设定第一移动禁止区域，所述第一移动禁止区域辅助移动路径的生成；以及

路径决定部，所述路径决定部以使所述移动体不在所述第一移动禁止区域内移动的方式决定到目标位置的移动路径，

所述移动禁止区域设定部以使所述移动路径通过所述移动体中心的方式设定所述第一移动禁止区域。

2.如权利要求1所述的路径计划装置，其特征在于，

所述移动禁止区域设定部在所述第一移动禁止区域的外周夹持所述移动体中心的两侧设置所述第一移动禁止区域，或者以使所述第一移动禁止区域与所述移动体所占有的区域相切的方式在所述移动体的两侧设置所述第一移动禁止区域。

3.如权利要求1或2所述的路径计划装置，其特征在于，

还包括区域调整部，所述区域调整部根据所述移动体的动作而调整所述第一移动禁止区域的大小。

4.如权利要求3所述的路径计划装置，其特征在于，

所述区域调整部根据所述移动体的移动速度而调整所述第一移动禁止区域的大小。

5.如权利要求1至4中任一项所述的路径计划装置，其特征在于，

所述第一移动禁止区域是圆形或椭圆形的区域。

6.如权利要求5所述的路径计划装置，其特征在于，

所述区域调整部进行调整，使得所述移动体的移动速度越快，构成所述第一移动禁止区域的圆形或椭圆形的半径大小就变得越大。

7.如权利要求1至6中任一项所述的路径计划装置，其特征在于，

还包括检测障碍物的障碍物检测部，

所述移动禁止区域设定部在由所述障碍物检测部检测出的障碍物的周围设定第二移动禁止区域。

8.如权利要求7所述的路径计划装置，其特征在于，

所述第二移动禁止区域是包含所述障碍物的圆形或椭圆形的区域。

9.如权利要求8所述的路径计划装置，其特征在于，

所述区域调整部进行调整，使得所述移动体的移动速度越快，构成所述第二移动禁止区域的圆形或椭圆形的半径大小就变得越大。

10.一种路径计划方法，包括：

移动禁止区域设定步骤，所述移动禁止区域设定步骤在移动体的一侧或两侧设定所述第一移动禁止区域，所述第一移动禁止区域辅助移动路径；以及

路径决定步骤，所述路径决定步骤以使所述移动体不在所述第一移动禁止区域内移动的方式决定到目标位置的路径，

在所述移动禁止区域设定步骤中，以使所述移动路径通过所述移动体中心的方式设定所述第一移动禁止区域。

11.一种移动体，包括：

生成移动路径的路径计划单元；以及

基于由所述路径计划部生成的移动路径来移动的移动单元；

所述路径计划单元包括：

移动禁止区域设定部，所述移动禁止区域设定部在移动体的一侧或两侧设定第一移动禁止区域，所述第一移动禁止区域辅助移动路径的生成并且使所述移动路径通过所述移动体中心；以及

路径决定部，所述路径决定部以使所述移动体不在所述第一移动禁止区域内移动的方式决定到目标位置的移动路径。

12.如权利要求11所述的移动体，其特征在于，

所述移动单元是车轮。

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