清洁机器人系统设计 - 图文(2)

1 绪 论

1.1 题目背景及目的

随着科学技术的不断发展，智能机器人技术以始料不及的速度迅速地向各个领域渗透，成为人们日常生活的一部分，不断地改变当今人们的生活方式。在军事上，为减少人员伤亡，大规模的使用智能化机器人；在抢险救灾中，为营造良好的营救时间，智能机器人深入危险区域进行探测；在航空领域里，智能机器人扮演重要角色，帮助人们完成许多具有划时代的发现。

两年前，家庭服务机器人的概念还和普通老百姓的生活相隔甚远，广大消费者还体会不到家庭服务机器人的科技进步给生活带来的便捷。而如今，越来越多的消费者正在使用家庭服务机器人产品。清洁机器人作为家庭服务机器人的一员，结合了传感器、移动机器人技术等多个领域的关键技术，实现地面的半自动或全自动清洁，替代人类完成繁重的清洁工作。

本设计的研究旨在开发一部价格便宜，方便使用，体积不大，能够满足家庭清洁要求的清洁机器人。使它能够代替人们完成家庭清扫工作，使科技能够更好地为人类服务。 1.1.1 机器人技术概述

自50年代第一台机器人装置在美国诞生以来，机器人的发展经历了一个从低级到高级的发展过程。第一代机器人是示教再现型工业机器人，它们装有记忆存储器，由人将作业的各种要求示范给机器人，使之记住操作的程序和要领。当它接到再现命令时，则自主地模仿示范的动作作业。第二代机器人是装有小型计算机和传感器的离散编程的工业机器人，它能感知外界信息并进行“思维”，它比第一代机器人更灵活、更能适应环境变化的需求。第三代机器人是智能机器人，它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作，是人工智能发展到高级阶段的产物，也是当今机器人发展的重点和热点。

机器人按照智能化程度的高低，可以分为外部受控机器人、半自主机器人和全自主机器人。外部受控机器人的本体没有智能单元，只有执行机构和感应机构，

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它受控于外部计算机，在外部计算机上具有智能处理单元，处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息，然后发出控制指令指挥机器人的动作。半自主机器人具有了部分处理和决策功能，能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能，但是还要受到外部的控制。全自主机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块，可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性。自主性是指它可以在一定的环境中，不依赖任何外部控制，完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体，根据环境的变化，调节自身的参数、调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主机器人的一个重要特点，机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究。

随着机器人技术的发展，机器人的用途越来越广，开始从传统的工业领域，向 军事、公安、医疗、服务等领域渗透。与此同时，机器人的概念也越来越宽，己从狭义的机器人，开始向机器人技术扩展。

对于己经相当成熟的工业机器人来说，服务机器人是近年来出现机器人学的一个新领域。包括清洁机器人在内的各种可以直接或者间接为人类服务的机器人都属于服务机器人的范畴。由于服务机器人涉及的领域很广泛，因此到目前为止国际上对服务机器人也还没有一个权威的定义。国际机器人联合会对服务机器人给出的一个初步定义为：“服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能够完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备”。德国生产技术与自动化研究所对服务机器人给出的定义则为“服务机器人是一种可以全自主或者半自主地为人类或者设备提供有用服务的机器人”。中华人民共和国国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》对服务机器人的定义为：“智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备”。由于服务机器人与普通公众关系密切，最近越来越受到人们的关注，并已经成为一个研究热点。 1.1. 2 服务机器人出现原因

以往的服务机器人的研究和开发主要在大学和研究所中进行，目前，越来越

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受 到企业和商业界的重视，这主要是其所具有广大市场和巨大利润所致。服务机器人的出现主要有以下几个原因：

第一、由于劳动力成本的上升，人们希望能由低成本的服务机器人来替代人工 进行长时间高效率地工作。

第二、需要服务机器人替代人类从事危险的工作。机器人可以检修危险的工业设备，处理各种危险物品，巡査核设施以及偏远地区的输油管道，而在安防系统及搜救行动中，机器人更能充当起关键角色。

第三、需要服务机器人来照顾老龄人和残疾人。联合国统计预测显示，目前全球老龄人口总数己达6.29亿，到2050年，60岁以上的老龄人口总数将近20亿，占总21%。随着老龄人口的比例上升和残疾人数的增多，更多的老人和残疾人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫。这就需要大量的陪护机器人来帮助老年人和残疾人能够更加独立地生活，甚至协助医生进行远程监护、诊断并治疗。

第四、由于生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，而且中国多年的计划生育政策之后，己经形成了人口倒金字塔结构，使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，家庭护理机器人、玩具机器人、安控机器人也成为当前社会的需要。

第五、随着网络家电、数字家庭的普及，市场迫切需要智能机器人来管理家庭以及辅助安排家庭日常生活。 1.1.3 清洁机器人特点

吸尘式清洁机器人一般具有如下的特点:

1)吸尘机器人自带电源，小巧轻便、操作简单、自主性强、具有很强的实用 性。 2)吸尘机器人的工作环境主要为普通家庭环境，也可以用于机场候机大厅、 展览馆、图书馆等公共场所。环境的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以及 走动的人员，因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。所以环境适应性是对 此类机器人的基本要求。

3)吸尘机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他 一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。考虑到安全因素，

吸尘机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须

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具备自我保护的能力。 1.2 国内外研究状况 1.2.1 国外产品研究现状

在国外，美国、日本、韩国、欧洲等对清洁机器人进行大量的研究和推广。 在德国，由Kaercher 公司生产的RC3000（图1.1）是世界上第一台能够自主清洁地面的家庭清洁机器人。它的移动方式是随机的，当遇到障碍物时，它会随机转动一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。其扁平的设计使其能够清洁床、沙发、茶几等家具的下部位置。同时，它设置四种不同的清洁方式，根据地板的清洁状况，可以选择合适的清洁方式；内置光敏传感器，在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会跌落。RC3000具有自动返回充电站充电功能，其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理五个功能。充电站会一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。

图1.1 RC3000和充电站

在日本，东日本铁路公司、富士工业有限公司Subaru实验室和JR东方设施管理有限公司联合研制了车站地面擦洗机器人，该机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸人所带的容器中。机器人中的感知系统采用光纤陀螺和超声波传感器，自动清洗系统有两种，一种是“面积设定模式”,即将待清洗的面积分为若干个单位面积,按照其存储器中的单位面积识别其行使路线，机器人还可利用其传感器识别和躲避障碍物；另一种叫“路

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径地图模式”，机器人按照内装的路径地图行使，机器人可存9幅地图，并可利用IC卡作为外存，在该模式下，机器人不会避障，仅适用于需要反复擦洗的指定地段。

2012年5月8日，为了应对日本本土自主吸尘器市场的激烈竞争，夏普公司继东芝公司之后，推出新一代智能吸尘器COCORORO（图1.2）。COCORORO圆盘状的外形保证了它在地板上能够出入各种缝隙，机身顶部的LED灯能够显示不同的颜色变换“心情”，或者根据遥控操作做出回应；同时它能够听懂使用者的简单日语，并对一些语音命令做出相应的动作。COCORORO内置红外传感器和摄像头，我们可以通过智能手机遥控操作吸尘器，摄像头拍摄到的画面会实时显示在手机屏幕上。COCORORO采用超声波传感器进行避障，所以它在清洁地板时不会碰到家居和宠物。

图1.2 夏普公司的COCORORO

在英国，著名的家电厂商伊莱克斯（EIectoIux）于2001 年11 月推出了吸尘器“三叶虫”，高13mm,直径为35mm，表面光滑，呈圆形，如图1.3所示。“三叶虫”内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。同时，能够对障碍物进行识别和处理，重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。为了限制“三叶虫”的活动范围，用户需要在楼梯间或其它没有天然障碍物的地方，贴上特制的可粘式磁带。“三叶虫”每次充电后可以工作一小时左右，当电量不足时，它会自动回到充电卡座自行充电；如果此时房间还没有清扫完毕，充好电后它会自动回到原处继续清扫。

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