CN108780320A - 机器人运动控制方法、装置、存储介质及机器人 - Google Patents

机器人运动控制方法、装置、存储介质及机器人 Download PDF

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李连中
徐慎华
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Abstract

一种机器人运动控制方法、装置、存储介质及机器人，以实现使机器人避开障碍物、以最短路径安全达到目标点。所述方法包括：在机器人向目标点运动的过程中，当检测到所述机器人的运动方向上存在障碍物时，实时获取所述障碍物的信息，所述障碍物的信息至少包括所述机器人与所述障碍物之间的最短距离；当所述最短距离达到预设安全距离时，根据所述障碍物信息控制所述机器人绕所述障碍物转动；并且当检测到所述机器人转动至指向所述目标点的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，控制所述机器人沿指向所述目标点的方向直线运动。

Description

机器人运动控制方法、装置、存储介质及机器人
技术领域
本公开涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人运动控制方法、装置、存储介质及机器人。
背景技术
随着计算机技术、传感器技术及人工智能的迅速发展，机器人自主导航技术也取得了很大进展。但对于复杂的外界环境，机器人在运动过程中难免会遇到障碍物，如何避开障碍物、安全达到目标点，是机器人自主导航的关键问题。
发明内容
本公开的目的是提供一种机器人运动控制方法、装置、存储介质及机器人，用于实现使机器人避开障碍物、以最短路径安全达到目标点。
为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种机器人运动控制方法，包括：
在机器人向目标点运动的过程中，当检测到所述机器人的运动方向上存在障碍物时，实时获取所述障碍物的信息，所述障碍物信息至少包括所述机器人与所述障碍物之间的最短距离；
当所述最短距离达到预设安全距离时，根据所述障碍物信息控制所述机器人绕所述障碍物转动；并且
当检测到所述机器人转动至其指向所述目标点的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，控制所述机器人沿指向所述目标点的方向直线运动。
本公开第二方面提供一种机器人运动控制装置，包括：
获取模块，用于在机器人向目标点运动的过程中，当检测到所述机器人的运动方向上存在障碍物时，实时获取所述障碍物的信息，所述障碍物信息至少包括所述机器人与所述障碍物之间的最短距离；
控制模块，用于当所述最短距离达到预设安全距离时，根据所述障碍物信息控制所述机器人绕所述障碍物转动，并且当检测到所述机器人转动至指向所述目标点的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，控制所述机器人沿指向所述目标点的方向直线运动。
本公开第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该程序指令被处理器执行时实现本公开第一方面所述的方法。
本公开第四方面提供一种机器人运动控制装置，包括：
本公开第三方面所述的计算机可读存储介质；以及
一个或者多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
本公开第五方面提供一种机器人，包括本公开第二方面所述的机器人运动控制装置。
采用上述技术方案，在机器人向目标点运动的过程中，在检测到机器人的运动方向上存在障碍物时，实时获取障碍物的信息，并在机器人与障碍物之间的最短距离达到预设安全距离时，根据障碍物信息控制机器人绕障碍物转动并在机器人转动至指向目标点的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，控制机器人沿指向目标点的方向直线运动，可以实现使机器人避开障碍物、以最短路径安全达到目标点。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本公开一示例性实施例示出的一种机器人运动控制方法的流程图；
图2至图4示出了在实施本公开提供的机器人运动控制方法时的场景示意图；
图5是根据本公开一示例性实施例示出的一种机器人坐标系与障碍物坐标系的示意图；
图6是根据本公开一示例性实施例示出的一种机器人运动控制装置的框图；
图7是根据本公开另一示例性实施例示出的一种机器人运动控制装置的框图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必理解为特定的顺序或先后次序。
图1是根据本公开一示例性实施例示出的一种机器人运动控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
在步骤S101中，在机器人向目标点运动的过程中，当检测到机器人的运动方向上存在障碍物时，实时获取障碍物的信息，障碍物信息至少包括机器人与障碍物之间的最短距离。
在一种实施方式中，可以通过设置在机器人上的测距传感器(例如激光传感器或超声波传感器)检测机器人的运动方向上的障碍物并采集机器人与障碍物之间的距离。
在本公开的实施例中，机器人与障碍物之间的距离为机器人的中心与障碍物的边缘之间的距离。其中，机器人的中心可以为其最大宽度的中点。
在步骤S102中，当最短距离达到预设安全距离时，根据障碍物信息控制机器人绕障碍物转动。
在一种实施方式中，障碍物信息还可以包括障碍物的数量。若机器人的运动方向上仅存在一个障碍物，则所述最短距离即为机器人与该障碍物之间的距离。当所述最短距离达到预设安全距离时，可以控制机器人沿与障碍物的边缘间隔该预设安全距离的第一路径绕该障碍物转动。例如，如图2所示，以机器人10和障碍物21均为圆柱体示意，此时形成的第一路径为：以障碍物21的中心O1为圆心、以预设安全距离dr与障碍物21的半径R1之和为半径的圆弧S1。
对于机器人的运动方向上存在多个障碍物的复杂场景，为了保证机器人的运动轨迹最短，可以将与机器人之间拥有最短距离的障碍物作为目标障碍物，并根据目标障碍物与其相邻障碍物之间的距离确定机器人的转动路径。相应地，获取到的障碍物信息还包括目标障碍物与其相邻障碍物之间的距离。
示例地，若目标障碍物与其相邻障碍物之间的距离与机器人的最大宽度之间的差值大于或等于预设安全距离的两倍，则可以判定机器人可以从两障碍物的中间通过，因而可以控制机器人沿与目标障碍物的边缘间隔预设安全距离的第二路径绕目标障碍物转动。其中，第二路径为经过目标障碍物和该相邻障碍物之间的路径。例如，如图3所示，以障碍物的数量为两个且机器人10和障碍物21、障碍物22均为圆柱体示意，将距离机器人10最近的障碍物21作为目标障碍物，此时第二路径为：以障碍物21的中心O1为圆心、以预设安全距离dr与障碍物21的半径R1之和为半径的圆弧S2，该圆弧S2经过障碍物21和障碍物22之间。
若目标障碍物与其相邻障碍物之间的距离与机器人的最大宽度之间的差值小于预设安全距离的两倍，则可以判定机器人可能无法从两障碍物之间通过，此时可以根据预设的几何体包络算法(例如扫掠球算法)将目标障碍物和相邻的障碍物作为一整体，控制机器人沿与该整体的边缘间隔预设安全距离的第三路径绕该整体转动，其中，第三路径为经过该整体的靠近目标障碍物的一侧的路径。示例地，如图4所示，以障碍物的数量为两个且机器人10和障碍物21、22均为圆柱体示意，将距离机器人10最近的障碍物21作为目标障碍物，将障碍物21和障碍物22作为一整体20(如虚线所示)，此时第三路径为：以与该整体20的边缘间隔预设安全距离dr的圆弧S3且该圆弧S3经过该整体20的靠近障碍物21的一侧。
在步骤S103中，当检测到机器人转动至指向目标点的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，控制机器人沿指向目标点的方向直线运动。
在控制机器人绕障碍物转动的过程中，可以实时检测机器人是否转动至指向目标点的方向。在一种实施方式中，可以将机器人的起始位置作为原点建立世界坐标系，由此可以得到目标点相对于世界坐标系的位置以及机器人在各个时刻相对于世界坐标系的位置，根据机器人上一时刻和当前时刻相对于世界坐标系的位置以及目标点相对于世界坐标系的位置，即可判断机器人的运动方向是否指向目标点。
当机器人转动至指向目标点的方向且该方向上不存在障碍物时，控制机器人直线运动到目标点。例如，如图2至图4所示，此时形成的机器人的总运动路径为：圆弧(S1/S2/S3)和过目标点G切向该圆弧的直线(L1/L2/L3)。
值得说明的是，图2至图4仅以机器人和障碍物均为圆柱体示意，而实际上，机器人和障碍物并不一定为圆柱体。对此，作为一种可选的实施方式，可以将机器人的最大宽度的中点作为该机器人的中心，在控制机器人绕障碍物转动时，控制机器人的中心沿与障碍物的边缘间隔预设安全距离的路径绕障碍物转动，并在检测到机器人转动至指向目标点的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，控制机器人的中心沿指向目标点的方向直线运动。
作为另一种可选的实施方式，对于机器人，可以以机器人的最大宽度为直径、以最大宽度的中点作为该机器人的中心，将机器人视为一圆柱体；对于障碍物，同样可以以此方法将障碍物视为圆柱体。在这种情况下，机器人绕障碍物转动的路径即为以障碍物的中心为原点、以预设安全距离和障碍物的半径(即障碍物的最大宽度的二分之一)之和为半径的圆弧(如图2至图4所示)。
在本公开的其他实施方式中，考虑到机器人多数是以速度驱动运动的，因而可以通过对机器人的运动速度进行规划，控制机器人以规划的运动速度向目标点运动。示例地，参见图5(仅以XY平面示意)，首先，可以将障碍物的中心(O1)作为原点，建立与机器人的坐标系(ORXRYR)平行的障碍物坐标系(O1X1Y1)，其中，机器人的坐标系以机器人的中心(OR)，并且可以设置机器人在障碍物坐标系下的第一运动速度如式(1)和式(2)所示。接着，根据第一运动速度确定机器人在机器人坐标系下的第二运动速度并以该第二运动速度驱动机器人绕障碍物转动，如式(3)所示。在机器人的转动过程中，当检测到机器人转动至指向目标点G的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，则可以设置机器人在机器人坐标系下的第三运动速度如式(4)所示，并控制机器人以第三运动速度沿指向目标点G的运动方向直线运动。
v0＝w0·(dr+L2)(2)
其中，为所述第一运动速度；为所述第二运动速度；为所述第三运动速度；v0为机器人的线速度；w0为机器人的角速度；d为机器人与障碍物之间的最短距离；dr为预设安全距离；L为障碍物的最大宽度；RTO为预设转换矩阵。
通过上述实施例的机器人运动控制方法，在检测到机器人的运动方向上存在障碍物且机器人与障碍物之间的最短距离达到预设安全距离时，根据障碍物信息控制机器人绕障碍物转动，并在机器人转动至指向目标点的方向且该方向上不存在障碍物时控制机器人沿指向方向向目标点运动，可以实现使机器人避开障碍物、以最短路径安全达到目标点。
图6是根据一示例性实施例示出的一种机器人运动控制装置的框图。如图6所示，该装置600包括：获取模块601和控制模块602。
该获取模块601用于在机器人向目标点运动的过程中，当检测到所述机器人的运动方向上存在障碍物时，实时获取所述障碍物的信息，所述障碍物信息至少包括所述机器人与所述障碍物之间的最短距离。
该控制模块602用于当所述最短距离达到预设安全距离时，根据所述障碍物信息控制所述机器人绕所述障碍物转动，并且当检测到所述机器人转动至指向所述目标点的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，控制所述机器人沿指向所述目标点的方向直线运动。
在另一个实施例中，如图7所示，所述障碍物信息还包括所述障碍物的数量；
所述控制模块602包括：
第一控制子模块621，用于在所述数量为一个时，控制所述机器人沿与所述障碍物的边缘间隔所述预设距离的第一路径绕所述障碍物转动。
在另一个实施例中，如图7所示，所述控制模块602还包括：
目标障碍物确定子模块622，用于在所述数量为多个时，将与所述机器人之间拥有所述最短距离的障碍物作为所述目标障碍物，所述障碍物信息还包括所述目标障碍物与其相邻障碍物之间的距离；
第二控制子模块623，用于在所述距离与所述机器人的最大宽度之间的差值大于或等于所述预设安全距离的两倍时，控制所述机器人沿与所述目标障碍物的边缘间隔所述预设安全距离的第二路径绕所述目标障碍物转动，所述第二路径为经过所述目标障碍物和所述相邻障碍物之间的路径；
第三控制子模块624，用于在所述差值小于所述预设安全距离时，根据预设的几何体包络算法将所述目标障碍物和所述相邻障碍物作为一整体，控制所述机器人沿与所述整体的边缘间隔所述预设安全距离的第三路径绕所述整体转动，其中，所述第三路径为经过所述整体的靠近所述目标障碍物的一侧的路径。
在另一个实施例中，如图7所示，所述控制模块602包括：
障碍物坐标系建立子模块625，用于将所述障碍物的中心作为原点，建立与所述机器人的坐标系平行的障碍物坐标系，其中，所述障碍物的中心为所述障碍物的最大宽度的中点；
第一设置子模块626，用于设置所述机器人在所述障碍物坐标系下的第一运动速度：
v0＝w0·(dr+L/2)
速度确定子模块627，用于根据所述第一运动速度确定所述机器人在所述机器人坐标系下的第二运动速度：
其中，为所述第一运动速度；为所述第二运动速度；v0为所述机器人的线速度；w0为所述机器人的角速度；d为所述最短距离；dr为所述预设安全距离；L为所述障碍物的最大宽度；RTO为预设转换矩阵；
第四控制子模块628，用于根据所述第二运动速度控制所述机器人以所述障碍物的中心为原点绕所述障碍物转动。
在另一个实施例中，如图7所示，所述控制模块602包括：
第二设置子模块629，用于设置所述机器人在所述机器人的坐标系下的第三运动速度；
其中，为所述第三运动速度，v0为所述机器人的线速度；
第五控制子模块630，用于控制所述机器人以所述第三运动速度沿指向所述目标点的运动方向直线运动。
所属本领域的技术人员应该清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的机器人运动控制装置的各模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中对应的过程，此处不再赘述。
其次，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述功能模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
通过上述实施例的机器人运动控制装置，可以实现使机器人避开障碍物、以最短路径安全达到目标点。
相应地，本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该程序指令被处理器执行时实现本公开实施例所述的机器人运动控制方法。
相应地，本公开实施例还提供一种机器人运动控制装置，包括本公开实施例所述的计算机可读存储介质；以及一个或者多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
相应地，本公开实施例还提供一种机器人，包括本公开实施例所述的机器人运动控制装置。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (13)

1.一种机器人运动控制方法，其特征在于，包括：
在机器人向目标点运动的过程中，当检测到所述机器人的运动方向上存在障碍物时，实时获取所述障碍物的信息，所述障碍物的信息至少包括所述机器人与所述障碍物之间的最短距离；
当所述最短距离达到预设安全距离时，根据所述障碍物信息控制所述机器人绕所述障碍物转动；并且
当检测到所述机器人转动至指向所述目标点的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，控制所述机器人沿指向所述目标点的方向直线运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述障碍物信息还包括所述障碍物的数量；
所述根据所述障碍物信息控制所述机器人绕所述障碍物转动，包括：
若所述数量为一个，则控制所述机器人沿与所述障碍物的边缘间隔所述预设距离的第一路径绕所述障碍物转动。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述障碍物信息控制所述机器人绕所述障碍物转动，还包括：
若所述数量为多个，则将与所述机器人之间拥有所述最短距离的障碍物作为所述目标障碍物，所述障碍物信息还包括所述目标障碍物与其相邻障碍物之间的距离；
若所述距离与所述机器人的最大宽度之间的差值大于或等于所述预设安全距离的两倍，则控制所述机器人沿与所述目标障碍物的边缘间隔所述预设安全距离的第二路径绕所述目标障碍物转动，所述第二路径为经过所述目标障碍物和所述相邻障碍物之间的路径；
若所述差值小于所述预设安全距离的两倍，则根据预设的几何体包络算法将所述目标障碍物和所述相邻障碍物作为一整体，控制所述机器人沿与所述整体的边缘间隔所述预设安全距离的第三路径绕所述整体转动，其中，所述第三路径为经过所述整体的靠近所述目标障碍物的一侧的路径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述障碍物信息控制所述机器人绕所述障碍物转动，包括：
将所述障碍物的中心作为原点，建立与所述机器人的坐标系平行的障碍物坐标系，其中，所述障碍物的中心为所述障碍物的最大宽度的中点；
设置所述机器人在所述障碍物坐标系下的第一运动速度：
v0＝w0·(dr+L/2)
根据所述第一运动速度确定所述机器人在所述机器人坐标系下的第二运动速度：
其中，为所述第一运动速度；为所述第二运动速度；v0为所述机器人的线速度；w0为所述机器人的角速度；d为所述最短距离；dr为所述预设安全距离；L为所述障碍物的最大宽度；RTO为预设转换矩阵；
根据所述第二运动速度控制所述机器人以所述障碍物的中心为原点绕所述障碍物转动。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述机器人沿指向所述目标点的方向直线运动，包括：
设置所述机器人在所述机器人的坐标系下的第三运动速度：
其中，为所述第三运动速度，v0为所述机器人的线速度；
控制所述机器人以所述第三运动速度沿指向所述目标点的运动方向直线运动。
6.一种机器人运动控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于在机器人向目标点运动的过程中，当检测到所述机器人的运动方向上存在障碍物时，实时获取所述障碍物的信息，所述障碍物信息至少包括所述机器人与所述障碍物之间的最短距离；
控制模块，用于当所述最短距离达到预设安全距离时，根据所述障碍物信息控制所述机器人绕所述障碍物转动，并且当检测到所述机器人转动至指向所述目标点的方向且检测到该方向上不存在障碍物时，控制所述机器人沿指向所述目标点的方向直线运动。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述障碍物信息还包括所述障碍物的数量；
所述控制模块包括：
第一控制子模块，用于在所述数量为一个时，控制所述机器人沿与所述障碍物的边缘间隔所述预设距离的第一路径绕所述障碍物转动。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制模块还包括：
目标障碍物确定子模块，用于在所述数量为多个时，将与所述机器人之间拥有所述最短距离的障碍物作为所述目标障碍物，所述障碍物信息还包括所述目标障碍物与其相邻障碍物之间的距离；
第二控制子模块，用于在所述距离与所述机器人的最大宽度之间的差值大于或等于所述预设安全距离的两倍时，控制所述机器人沿与所述目标障碍物的边缘间隔所述预设安全距离的第二路径绕所述目标障碍物转动，所述第二路径为经过所述目标障碍物和所述相邻障碍物之间的路径；
第三控制子模块，用于在所述差值小于所述预设安全距离时，根据预设的几何体包络算法将所述目标障碍物和所述相邻障碍物作为一整体，控制所述机器人沿与所述整体的边缘间隔所述预设安全距离的第三路径绕所述整体转动，其中，所述第三路径为经过所述整体的靠近所述目标障碍物的一侧的路径。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括：
障碍物坐标系建立子模块，用于将所述障碍物的中心作为原点，建立与所述机器人的坐标系平行的障碍物坐标系，其中，所述障碍物的中心为所述障碍物的最大宽度的中点；
第一设置子模块，用于设置所述机器人在所述障碍物坐标系下的第一运动速度：
v0＝w0·(dr+L/2)
速度确定子模块，用于根据所述第一运动速度确定所述机器人在所述机器人坐标系下的第二运动速度：
其中，为所述第一运动速度；为所述第二运动速度；v0为所述机器人的线速度；w0为所述机器人的角速度；d为所述最短距离；dr为所述预设安全距离；L为所述障碍物的最大宽度；RTO为预设转换矩阵；
第四控制子模块，用于根据所述第二运动速度控制所述机器人以所述障碍物的中心为原点绕所述障碍物转动。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括：
第二设置子模块，用于设置所述机器人在所述机器人的坐标系下的第三运动速度；
其中，为所述第三运动速度，v0为所述机器人的线速度；
第五控制子模块，用于控制所述机器人以所述第三运动速度沿指向所述目标点的运动方向直线运动。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，该程序指令被处理器执行时实现权利要求1～5中任一项所述的方法。
12.一种机器人运动控制装置，其特征在于，包括：
权利要求11中所述的计算机可读存储介质；以及
一个或者多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
13.一种机器人，其特征在于，包括权利要求6～10中任一项所述的机器人运动控制装置。
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