JP2020532018A - 自律移動ロボットの移動計画 - Google Patents
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Abstract
Description
したがって、テレプレゼンスロボットは、HMIに結合される通信ユニット140を有することができ、HMIは、例えば、マルチメディアユニットを装備することができ、マルチメディアユニットは、マイク、カメラ、スクリーンが含まれており、遠く離れた場所にいる数人の人々とのコミュニケーションを可能にする。監視ロボットは、検査走行で異常なイベント(例えば、火事、照明、許可されていない人など)を検出し、これを、例えば、チェックポイントに通知する。この場合、作業ユニット160の替わりに、ロボット使用領域を監視するためのセンサを備えた監視ユニットが設けられる。
・センサユニット120を使用して環境に関する情報を収集することによる、例えば、SLAM法(Simultaneous Localization and Mapping)を使用した(必ずしも使用しなくても良い)(電子)地図の作成。
・地図に割り当てられた、1つまたは複数のロボット使用領域の1つまたは複数の地図の管理。
・センサユニット120のセンサで検知された周囲の情報に基づいて、地図内のロボットの位置と向き(姿勢)の決定。
・ロボットの現在の姿勢(開始点)から到着点までの地図に基づいた経路計画(軌道計画)。
・ロボット(100)が1つ以上の障害物(壁など)の輪郭に沿って、この輪郭から実質的に一定の距離dで移動する輪郭追従モード。
制御ユニット150は、ナビゲーションモジュール152を使用し、センサユニット120からの情報に基づいて、例えば、ロボットが動作している間にロボットの環境が変化したとき(障害物が移動した、ドアが開いたなど)、ロボット使用領域の地図を連続的に更新することができる。次いで、ロボットの短期および/または長期の移動計画のために、制御ユニット150により現在の地図を使用することができる。計画範囲として、ロボットの移動が実際に実行される前に、ロボットの(目標とする)移動として制御ユニット150が事前に計算する経路を表示する。ここで説明される例示的な実施形態は、とりわけ、特定の状況、例えば、特定の操作が障害物によってブロックされているため、実行できない状況における移動計画のための様々なアプローチおよび戦略に関する。
特に、障害物の少なくとも1つの点が特にロボットの隣の所定の領域Sにある場合、第1の基準を定義して使用することができ、そうでなければ第2の基準を使用することができる。これら両方の基準によれば、例えば、輪郭から離れた位置へロボットの回転が可能であるべきであり、回転の角度は、少なくとも第1の基準では、所定の最小角度よりも大きくすることができる。両方の基準に最小角度が含まれている場合、第1の基準による最小角度は、第2の基準による最小角度よりも大きくなる。
あるいは、第2の輪郭追従モードを終了するために以前に設定された基準を保持または採用することができる。
・輪郭を追従する方向
・輪郭に面するロボットの側
・輪郭追従距離d、障害物までの安全距離ds、速度等のナビゲーション用のパラメータ
・障害物(衝突)との接触を回避する優先順位
・衝突を判断するために考慮されるロボットの形状(たとえば、安全距離は、ロボットの仮想的に拡大されたハウジング形状の形において地図ベースの評価で考慮に入れることができる)
・輪郭に沿った動きを生成するためのルール
・地図データの解釈と評価
・第1の基本的な動き:現在の動きの方向への直線的な動き
・第2の基本的な動き:追従する輪郭に向かう回転
・第2の基本動作:追従する輪郭から離れる回転
特に、第2および第3の基本的な動き(輪郭に向かう回転および輪郭から離れる回転)がその場での回転である場合(図8(b)を参照)、これらの基本的な動きが引き続いて連続することを禁止することができる。追従すべき輪郭に沿ったロボットのより滑らかな走行動作を達成するために、基本的な動きの順序に関するさらなるルールを設定することができる。
ただし、セクタIIの端の近くに小さな角または単一の点しかない場合は、ぐらつく動きを避けるために回避的な動きをするべきでない。たとえば、第3の基本的な動きのコストベースの評価の場合、セクタIIに突き出た小さな角のコストに対応する、事前に決定可能な基本コストを考慮することができる。コストは、たとえば、セクタIIで突出する輪郭の部分の長さと面積の比率に基づいて決定できる。追従すべき輪郭の一部がセクタIIのエッジにある場合、これはボーナス(例:負のコスト)をもたらす可能性がある。セクタIIに輪郭がなく、特に追従されるべき輪郭のエッジ領域にある場合、これもコストがかかる可能性がある。
シミュレーションを用いて、特定のパラメータセットを持つロボットの動作を原理的に分析し、目的の動作に適合させることができる。
この入力に基づいて、中心点「x」を有するロボットが、輪郭追従モードでこの境界を安全に追従することができるように、仮想的な障害物の仮想境界を決定することができる。
・点、線及び/又は面の形で障害物の輪郭を表示できる特徴地図、
・使用領域は、個々のセルに分割され、障害物によって占有されているか、自由にアクセスできるかについてセルごとにマークが付けることができる。ラスタ地図(グリッド地図とも呼ばれる)、
・使用領域のどの特徴点及び/又は領域が、ロボットがそれらを通過できるように接続されているかに関する情報を含むトポロジ地図。
経路計画の方法は、これらのマップについてそれ自体既知であり、必要に応じて組み合わせることができる。
第2の地図に登録した情報は、メモリ需要と処理負担を削減するために、しばらくすると削除可能である。代替的に、第2の地図の情報内容は、解釈および/または簡略化によってしばらくしてから減らすことができ、これにより、同様にメモリ需要と処理負担が削減される。
これは、ロボットのすべての点が完全に円内にあり、円の中心点が、ロボットの中心点に対応することを意味する(図13、外接円102参照)。したがって、ロボットは、静止しているときに経路P上の任意の点で回転することができる。ここで、ロボットの仮想形状101は、実際のロボット100よりも広くすることができ、その結果、2つの障害物間の狭い通路を通過しない。
この場合、例えば、直径がロボットの幅に対応する円形が、簡略化された仮想的な輪郭として想定される。これにより、経路が少なくとも2つの障害物の間の中点を通過するときに、ロボットは、これら障害物の間を通過することが保証される。これは理想的な地図データにのみ適用されることに注意すべきである。ただし、実際には、2つの障害物の前に到着したときに、2つの障害物間の経路を辿るのに十分なスペースがないと判断されることがある。また、ロボットの形状が複雑な場合、計画軌道Pを辿るために必要な回転ができない場合がある。
110…基地局
120…センサユニット
140…通信ユニット
145…通信接続
150…制御ユニット
151…制御ソフトウェアモジュール
152…ナビゲーションモジュール
155…プロセッサ
156…メモリ
160…作業ユニット
170…駆動ユニット
200…HMI
300…外部デバイス
d…輪郭追従距離
H…障害物
P…経路
V、W…輪郭
Claims (53)
- 第1の輪郭追従モード及び少なくとも1つの第2の輪郭追従モードで動作可能な自律移動ロボットを制御する方法であって、これら輪郭追従モードの各々では、ロボット(100)が輪郭(W、V)に沿って移動する間に、前記ロボット(100)が前記輪郭(W、V)への距離を実質的に一定に維持し、前記方法は、
前記ロボットが前記輪郭(W、V)を第1の走行方向に追従する第1の輪郭追従モードを開始するステップと、
前記第1の輪郭追従モードにおいて前記輪郭(W、V)の追従を継続することが衝突を伴わずにできない袋小路状態を検出するステップと、
前記ロボットが前記輪郭(W、V)を第2の走行方向に追従する第2の輪郭追従モードを開始するステップと、
基準を決定し評価するステップであって、前記基準が満たされている場合に、前記第2の輪郭追従モードを終了し、前記ロボットが前記第2の輪郭追従モードで動作している間、前記基準を継続的に評価するステップと
を有する。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記輪郭追従モードは、少なくとも2つのパラメータにより特徴付けられ、前記少なくとも2つのパラメータは、走行方向、輪郭追従距離(d)、および任意で、前記ロボットの前記輪郭に面する側面、安全距離、差し迫った衝突を検出するために考慮されるロボットの形状、輪郭に沿った移動を実行するための規則のうちの1つパラメータを含み、
2つの異なる修正追従モードは、少なくとも1つのパラメータによって区別される。 - 請求項1又は請求項2に記載の方法であって、前記袋小路状態を検出するステップは、
前記輪郭(W)に沿った前記ロボット(100)の移動と前記ロボット(100)の回転が衝突なしでは不可能であることを検出するステップであって、この検出の際に特に前記ロボットの地図に記憶されている位置関連情報が考慮されるステップを有する。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の方法であって、
前記第2の輪郭追従モードで再び袋小路状態が検出された場合、第3の輪郭追従モードが開始され、
前記第3の輪郭追従モードを終了する基準が決定され、前記ロボットが前記第3の輪郭追従モードで動作している間、この基準が連続的に評価される。 - 請求項4に記載の方法であって、
前記第3の輪郭追従モードは、前記第2の輪郭追従モードとは、前記輪郭(W)に面した前記ロボットの側面によって区別される。 - 請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の方法であって、
決定された前記基準が満たされたために前記第2の輪郭追従モードが終了したときに、前記第1の輪郭追従モードは継続される。 - 請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の方法であって、
前記輪郭(W)が、実際には存在しないが前記ロボットの地図に含まれる仮想的な障害物によって形成される。 - 請求項1乃至請求項7の何れか一項に記載の方法であって、
基準であって、前記基準が満たされたときに前記第2の輪郭追従モードが終了される基準は、特定の動きを実行する可能性を含む。 - 請求項8に記載の方法であって、
前記特定の動きは、
特定の角度の回転と、
特に、前方への特定の距離にわたる並進運動と、
のうちの少なくとも1つを含む。 - 請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の方法であって、
前記基準を評価することは、
事前定義可能な規則に従って衝突のない前記ロボットの動作を自動的に計画するステップと、
計画された前記ロボットの前記動作を実行するステップと、
前記ロボットの計画された前記動作が衝突なしに実行できたかを確認するステップと、
を有する。 - 請求項10に記載の方法であって、
前記ロボットの衝突のない前記動作の前記計画は、前記ロボットの地図に格納された障害物に関する位置関連情報が考慮に入れられる。 - 請求項10又は請求項11に記載の方法であって、
事前定義可能な規則に従って前記ロボットの動作を自動的に計画する前記ステップは、
前記動作が実行された後、障害物の1つの点が前記ロボットから一定の距離、特に輪郭追従距離にあるように回転とその後の並進動作とを計画するステップを有する。 - 請求項12に記載の方法であって、
前記回転は、事前定義可能な最小角度よりも大きい角度で実行される。 - 請求項1乃至請求項13の何れか一項に記載の方法であって、
前記基準が満たされている場合に、前記第2の輪郭追従モードを終了する前記基準を決定する前記ステップ、又は、前記ロボットが前記第2の輪郭追従モードで動作している間、前記基準を継続的に評価する前記ステップは、前記ロボットの地図に格納されている位置関連情報を考慮して行われる。 - 請求項1乃至請求項14の何れか一項に記載の方法であって、
前記第2の輪郭追従モードが実行されている間に、前記第2の輪郭追従モードを終了する前記基準が更新される。 - 輪郭追従モードで自律移動ロボットを制御する方法であって、前記輪郭追従モードにおいて、前記ロボット(100)が前記輪郭(W、V)を実質的に輪郭追従距離で追従し、前記輪郭追従モードにおいて前記方法は、
少なくとも1つの事前定義可能な基準に基づいて、少なくとも3つの異なる基本的な動作を評価するステップと、
この評価に基づいて前記少なくとも3つの基本的な動作のうちの1つを実行するステップと、
を有し、
前記少なくとも3つの基本的な動作のうちの第1の基本的な動作は、前記ロボット(100)の純粋な並進運動であり、
前記少なくとも3つの基本的な動作のうちの第2の基本的な動作は、前記輪郭(W)に向かう前記ロボット(100)の回転を含み、
前記少なくとも3つの基本的な動作のうちの第3の基本的な動作は、前記輪郭(W)から離れるロボット(100)の回転を含む。 - 請求項16に記載の方法であって、
前記基本的な動作のうちの少なくとも2つが等しく評価された場合、前記ロボットを前記輪郭(W)により近づける方、又は前記輪郭(W)からより遠ざけない方が選択される。 - 請求項16又は請求項17に記載の方法であって、
基本的な動作の評価は、以前に行われた基本的な動作が考慮される。 - 請求項18に記載の方法であって、
前記評価の際に、前記第2の基本的な動作が行われた後、前記第3の基本的な動作が選択されないようにすることが考慮に入れられ、また、その逆も考慮に入れる。 - 請求項16乃至請求項19の何れか一項に記載の方法であって、
前記基本的な動作の評価において、
障害物(H)に衝突せずに前記基本的な動作が可能であることと、
移動中及び/又は移動後の障害物(H)に対する前記ロボットの距離と、
それぞれの基本的な動作の実行後に、更なる、例えば並進運動の衝突のない実行可能性と、
のうちの少なくとも1つの基準が考慮される。 - 請求項20に記載の方法であって、
前記障害物(H)が異なる種類を有することができ、前記障害物(H)の種類が評価に考慮される。 - 請求項21に記載の方法であって、
第1の種類の障害物(H)は、前記ロボットのセンサユニット(120)によって検出される障害物(H)を含み、第2の種類の障害物は、実際には存在しないが前記ロボットの地図に含まれる仮想的な障害物である。 - 請求項16乃至請求項22の何れか一項に記載の方法であって、
前記第2及び第3の基本的な動作が、静止した状態での回転を含む。 - 請求項16乃至請求項23の何れか一項に記載の方法であって、
事前定義可能な基準に従って前記3つの基本的な動作のいずれもが実行できないことを検出するステップをさらに有し、
前記3つの基本的な動作のいずれも実行できないことが検出された場合、前記ロボットは、走行方向及び/又は前記輪郭に面する側面を変更し、及び/又は前記評価の前記基準を変更する。
を有する。 - 請求項24に記載の方法であって、
前記ロボット(100)は、優先的な走行方向を有し、前記優先的な走行方向が前記優先的な走行方向と反対の走行方向に変更された際、評価の基準が決定され、この評価の基準が満たされた場合、再び前記優先的な走行方向に変更される。 - 請求項16乃至請求項25の何れか一項に記載の方法であって、
前記少なくとも3つの基本的な動作は複数のパラメータによって定義され、前記パラメータは、最適化、特に機械学習によって決定される。 - 請求項26に記載の方法であって、
前記ロボットが特定の事前定義可能な状況で所望の事前定義可能な動作パターンを実行するように、機械学習によって前記パラメータが少なくとも部分的に自動的に決定される。 - ロボット使用領域の第1の地図を有する自律移動ロボット(100)を制御する方法であって、前記第1の地図は、少なくとも障害物(H)の位置に関するデータを含み、前記方法は、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)を想定して前記第1の地図の目標点への経路(P)を計画するステップと、
計画された前記経路(P)に沿ってロボットを移動させるステップと、
計画された前記経路(P)に沿う移動の間に、前記ロボットのセンサユニット(120)によって、前記ロボット(100)の環境の障害物(H)を検出するステップと、
前記ロボットの実際の形状を考慮して、計画した前記経路(P)が障害物(H)により衝突せずに走行できないと決定するステップと、
前記ロボットの前記実際の形状を考慮して、前記ロボット(100)の移動を継続するステップと、
を有する。 - 請求項28に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)は、円で表されており、前記円の中心点が移動せずに前記中心点の周りで前記ロボット(100)が回転可能である。 - 請求項29に記載の方法であって、
前記円の半径は、前記ロボット(100)が前記中心点の周りを回転する際に、前記ロボット(100)の外側の輪郭の少なくとも2点が前記円上を移動するように選択され、例えば、前記円の半径が前記ロボットの幅の半分に対応する。 - 請求項30に記載の方法であって、
前記ロボットの少なくとも一部が前記円の外にある。 - 請求項28乃至請求項31の何れか一項に記載の方法であって、
前記ロボット(100)が計画された前記経路に沿って移動する際に、検出された前記障害物(H)が第2の地図に登録され、前記第2の地図における障害物の位置及び/又は範囲の精度が前記第1の地図におけるよりも高い。 - 請求項32に記載の方法であって、
計画した前記経路(P)が障害物(H)により衝突せずに走行できないと決定する前記ステップ及び前記ロボット(100)の移動を継続する前記ステップは、前記第2の地図に基づく。 - 請求項28乃至請求項33の何れか1項に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)を想定して前記第1の地図の目標点への経路(P)を計画する前記ステップは、
前記ロボットを完全に含む前記ロボット(100)の第1の仮想形状を想定して前記目標点までの衝突のない経路(P)を計画するステップを有する。 - 請求項34に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)を想定して、前記第1の地図の目標点への経路(P)を計画する前記ステップは、さらに、
前記第1の仮想形状を想定しての経路計画の際に衝突のない経路が見つからない場合には、前記ロボット(100)の第2の仮想形状を想定して前記目標点までの経路を再度計画するステップであって、前記ロボットの前記第2の仮想形状は、前記ロボットを完全には含まないステップを有する。 - 請求項34に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の前記第1の仮想形状は円形である。 - 請求項35に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の前記第1の仮想形状及び前記第2の仮想形状は円形を有し、及び/又は前記第1の仮想形状は、前記ロボットをちょうど取り囲み、前記ロボットが静止状態でその中心点の周りに回転できる最小の円に対応する。 - 請求項28乃至請求項33の何れか1項に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)を想定して前記第1の地図の目標点への経路(P)を計画する前記ステップは、
前記ロボット(100)の第1の仮想形状を想定して、前記目標点への第1の経路を計画するステップと、
前記第1の仮想形状とは異なる、前記ロボット(100)の少なくとも1つの第2の仮想形状を想定して、前記目標点への少なくとも1つの第2の経路を計画するステップと、
事前定義可能な基準に従って前記第1の経路と前記少なくとも1つの第2の経路を評価するステップと、
この評価に基づいて前記第1の経路と前記少なくとも1つの第2の経路からの前記ロボットの後続する動作のための経路(P)を選択するステップと、
を有する。 - 請求項28乃至請求項38の何れか1項に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)を想定して前記第1の地図の目標点への経路(P)を計画する前記ステップは、
前記ロボット使用領域内のある領域の走行にコスト関数値を割り当てするステップと、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)に対する最小コストの経路を決定するステップと、
を有し、
障害物までの経路の距離は、コスト関数値に含まれている。 - 請求項39の方法であって、
特に前記コストは障害物による前記ロボットの回転自由度の制限に依存する。 - 請求項39又は請求項40に記載の方法であって、
前記コスト関数値は、前記第1の地図に含まれる情報に基づいて算出され、特に前記仮想形状は、前記ロボットを完全には含まない円形である。 - 請求項28乃至請求項41の何れか一項に記載の方法であって、
前記ロボットの前記実際の形状を考慮して、前記ロボット(100)の移動を継続する前記ステップは、
計画された前記経路(P)上の中間目標点を決定するステップと、
前記ロボットと前記中間目標点との間の経路が空くか、又は終了条件が成立するまで前記障害物の輪郭に沿って移動するステップと、
を有する。 - 請求項42に記載の方法であって、
前記終了条件は、計画された前記経路(P)及び/又は前記中間目標点からの前記ロボットの距離が考慮されており、
前記終了条件が満たされた後、前記ロボット(100)は前記ロボット(100)の現在の位置から前記目標点までの新たな経路を計画する。 - 請求項43に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の前記終了条件が満たされた後、失敗した試行回数をカウントするカウンタを増加させる。 - ロボット使用領域の地図を用いて自律移動ロボット(100)を制御する方法であって、前記地図には、少なくとも、センサユニット(120)によって検出された現実の障害物の位置に関する情報と、仮想的な障害物に関する情報とが含まれており、前記方法は、
前記ロボット(100)の実際の形状を考慮して、現実の障害物の近傍で前記現実の障害物との衝突を回避するように前記ロボット(100)を制御するステップと、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)を考慮して、仮想的な障害物の近傍で前記仮想的な障害物との仮想的な衝突を回避するように前記ロボットを制御するステップと、
を有する。 - 請求項45に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の実際の形状の一部は、前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)の外側にある。 - 請求項45又は請求項46に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)は円であり、前記円の中心点が移動せずに前記中心点の周りで前記ロボット(100)が回転可能である。 - 請求項47に記載の方法であって、
前記円の半径は、前記ロボット(100)が前記中心点の周りを回転する際に、前記ロボット(100)の外側の輪郭の少なくとも2点が前記円上を移動するように選択され、例えば、前記円の半径が前記ロボットの幅の半分に対応する。 - 請求項45乃至請求項48の何れか一項に記載の方法であって、
前記ロボット(100)の簡略化された仮想形状(101)は、障害物に対して衝突しないことが可能な任意の位置で前記ロボットが衝突せずに回転できるような形状である。 - 輪郭追従モードで自律移動ロボットを制御する方法であって、前記輪郭追従モードにおいて、前記ロボット(100)が前記輪郭(W、V)を実質的に輪郭追従距離で追従し、
前記ロボットの地図には、少なくとも、センサユニット(120)によって検出された現実の障害物の位置に関する情報と、仮想的な障害物に関する情報とが含まれており、前記ロボットは前記地図内の位置を連続的に決定し、
前記輪郭追従モードにおいて前記ロボット(100)は、前記輪郭(W、V)に沿って移動し、
前記輪郭(W、V)は、現実の障害物の形状と仮想障害物の仮想境界の形状によって与えられる。 - 請求項50に記載の方法であって、
前記ロボットと前記輪郭(W、V)の間の距離は、前記地図に格納された情報に基づいて決定される。 - 請求項50又は請求項51に記載の方法であって、
前記輪郭追従距離は、追従する輪郭が仮想的な障害物を表すか否かに依存する。 - 請求項1乃至請求項52の何れか一項に記載の方法を実行するように構成された自律移動ロボットのための制御ユニット。
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