家用清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)

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1、家用請(qǐng)潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 作 者 姓 名 專 業(yè) 指導(dǎo)教師姓名 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 講師 山東輕工業(yè)學(xué)院2007屆?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 摘 要 ……………………………………………………………3 第一章 前言 ………………………………………………

2、3 1.1 題目要求 ……………………………………………………4 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 ……………………………………………5 1.2.1 國(guó)外產(chǎn)品研究狀況 ………………………………………………5 1.2.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 ……………………………………………7 1.2.3 自主充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ……………………………………8 1.3 研究的目的和意義 …………………………………8 1.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) ……………………………………………9 第二章 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) ……………9 2

3、.1 傳感技術(shù)…………………………………………………………10 2.2 路徑規(guī)劃技術(shù)……………………………………………………10 2.3 吸塵技術(shù)…………………………………………………………10 2.4 電源技術(shù) ………………………………………………………11 第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理………………………………………11 3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 ………………………………………………11 3.1.2 工作原理 ………………………………………………11 3.2 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)…………………………………………

4、…14 3.2.1 機(jī)器人外形設(shè)計(jì) ………………………………………………14 3.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………14 3.2.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ………………………………………………15 3.2.4 吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………17 3.2.5 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………18 第四章 總結(jié)也展望 4.1 發(fā)展趨勢(shì) ………………………………………………20 4.1.1 高度智能化 ………………………………………………21 4.1.2

5、 功能擴(kuò)展 ………………………………………………21 4.1.3 低成本化 ………………………………………………22 4.2 展望 ………………………………………………22 致謝 ……………………………………………23 摘 要 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中，服務(wù)機(jī)器人開辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動(dòng)力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥

6、乏味的體力勞動(dòng)，如清潔、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡和社會(huì)福利制度的完善也為某些服務(wù)機(jī)器人提供了廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。服務(wù)機(jī)器人區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)主要特征就是服務(wù)機(jī)器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過(guò)程的機(jī)器人系統(tǒng)，其活動(dòng)空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)性，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。 隨著社會(huì)的發(fā)展需要，服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。服務(wù)機(jī)器人的研究和發(fā)展對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的影響。這片文章主要通過(guò)闡述清潔機(jī)器人在服務(wù)行業(yè)的重要性，對(duì)機(jī)器人在各國(guó)發(fā)展?fàn)顩r的一些綜述，讓讀者了解將來(lái)機(jī)器人發(fā)展對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要性，文章還寫了本人對(duì)我國(guó)機(jī)器

7、人現(xiàn)狀的一些調(diào)查和理解看法，在機(jī)器人發(fā)展中存在的一些影響因素，還有對(duì)機(jī)器人使用領(lǐng)域的一些展望。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人：清潔機(jī)器人：運(yùn)動(dòng)原理：清潔方式 ABSTRACT In recent years, along with the computer technology and the rapid development of artificial intelligence, intelligent robot technology gradually become modern robot research hotspot. Among them, service robot

8、, opened a new field of application of robots. Service robots appeared three main reasons: one is rising labor costs, Second is the human to escape the boring physical labor, such as cleaning, housework and patient care, etc. The population is aged 3 and social welfare system for certain service rob

9、ots also provides a broad application prospect in the market. Service robots in industrial robots is one of the main features of service robot is a suitable way, environment and the specific tasks of the robot system, the process of large space activities in unstructured environment, has the high mo

10、bility, so most of the mobile robot is service robots. With the development of society, we service robots have infiltrated the life, work and economic aspects, and play a very significant role. Service robot research and development of our economic development has a lot of influence. This article m

11、ainly elaborated through cleaning robot in the importance of service industry in the world, robot is reviewed the development of some future robots, let the reader know the importance of the development of social development, the article also wrote himself in the situation of robot, investigation an

12、d understanding in robot in some influencing factors, and to use the domain of robot. Key words：Robots: cleaning robot: sports principle: clean way 第一章 前言 1.1題目要求 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中，服務(wù)機(jī)器人開辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動(dòng)力成本的上升；二是人類想擺脫

13、枯燥乏味的體力勞動(dòng)，如清潔、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡和社會(huì)福利制度的完善也為某些服務(wù)機(jī)器人提供了廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。服務(wù)機(jī)器人區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)主要特征就是服務(wù)機(jī)器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過(guò)程的機(jī)器人系統(tǒng)，其活動(dòng)空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)性，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。 自動(dòng)進(jìn)行房間地面清潔的自主吸塵式家庭服務(wù)機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。自主吸塵機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀(jì)80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵機(jī)器人的發(fā)展，帶動(dòng)了家庭

14、服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像和語(yǔ)音識(shí)別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展本次設(shè)計(jì)的題目<<家庭清潔機(jī)器人>>就是在這種背景下提出的,其具體設(shè)計(jì)要求如下： 設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要求： 運(yùn)行機(jī)構(gòu)形式：輪式 最高行進(jìn)速度 ： 0.5 m/s 轉(zhuǎn)彎半徑：0 高度：<100mm 寬度：<400mm 清潔方式：吸塵、刷掃 一次充電連續(xù)工作時(shí)間 ： 0.5 小時(shí) 警示方式：

15、 LED閃光 具有自動(dòng)路徑規(guī)劃、避障功能 具有自動(dòng)充電裝置。 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 地面清潔機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀(jì)80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵機(jī)器人的發(fā)展，帶動(dòng)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像和語(yǔ)音識(shí)別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)結(jié)合國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)將清掃機(jī)器人及其自動(dòng)充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀闡述如下。 1.2.1 國(guó)外產(chǎn)品研究狀況 對(duì)于機(jī)器人大家可能不會(huì)太陌生，工業(yè)機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于家庭機(jī)器人我們所了解的卻相當(dāng)?shù)纳?，而日?/p>

16、，歐美等國(guó)阿 RC3000是世界上第一臺(tái)能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機(jī)器人，如圖1-1所示，它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時(shí)，會(huì)隨機(jī)改變一個(gè)角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時(shí)，可以調(diào)整其清潔程序；通過(guò)傳感器對(duì)于地板污漬的判斷，選擇合適的應(yīng)用程序。內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺(tái)階時(shí)，能夠自動(dòng)避讓，不會(huì)掉落。扁平的設(shè)計(jì)使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置。其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時(shí)間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個(gè)功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號(hào)來(lái)指引機(jī)器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時(shí)能夠

17、根據(jù)用戶設(shè)定的信息來(lái)控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作。 如圖1-1所示。 圖1-1 智能機(jī)器人RC3000 在日本，東日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa工業(yè)有限公司聯(lián)合研制了車站地面清掃機(jī)器人，機(jī)器人可沿墻壁從任何一個(gè)位置自動(dòng)啟動(dòng)，利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃人自帶容器中。該機(jī)器人可采用 “磁導(dǎo)引方式”、“示教方式”或 “墻面復(fù)制方式”控制。東日本路公司、富士工業(yè)有限公司Subaru實(shí)驗(yàn)室和JR東方設(shè)施管理有限公司聯(lián)合研制了車站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時(shí)一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自

18、動(dòng)清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設(shè)定模式”，即將待清洗的面積分為若干個(gè)單位面積，按照其存儲(chǔ)器中的單位面積識(shí)別其行使路線，機(jī)器人還可利用其傳感器識(shí)別和躲避障礙物；另一種叫“路徑地圖模式”，機(jī)器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，機(jī)器人可存９幅地圖，并可利用ＩＣ卡作為外存，在該模式下，機(jī)器人不會(huì)避障，僅適用于需要反復(fù)擦洗的指定地段。 2003年11月，三星公司推出一款代號(hào)為VC-RP30W的機(jī)器人吸塵器，如圖1-6所示。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來(lái)進(jìn)行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對(duì)房間每個(gè)角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)

19、大的智能判斷系統(tǒng)使得VC- RP30W能輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，機(jī)器人也允許用戶定義它的工作時(shí)間及清 圖1-6 三星機(jī)器人VC- RP30W 掃區(qū)域等，從而實(shí)現(xiàn)主人不在家時(shí)機(jī)器人也能進(jìn)行自動(dòng)清掃。事實(shí)上，用戶除了可以對(duì)它本身進(jìn)行設(shè)置以外，還能通過(guò)計(jì)算機(jī)查看安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個(gè)器人的電池能維持它連續(xù)工作50分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時(shí)它自動(dòng)回到充電座補(bǔ)充能源，非常地智能化。它回充電站使用的是已經(jīng)生成的3D地圖，而不是像RC3000那樣使用紅外的導(dǎo)航信號(hào)。 1.2.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上

20、海交通大學(xué)等單位也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果，對(duì)清潔機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機(jī)器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)于90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對(duì)狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時(shí)避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)

21、境；遙控操作和自主運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。 浙江大學(xué)于1999年初在浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測(cè)距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補(bǔ)充電力。吸塵機(jī)器人在5.5×3.5m2的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達(dá)到90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒(méi)有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入

22、機(jī)器視覺(jué)和全局 圖1-7 國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的機(jī)器人KV8 定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖1-7所示。KV8保潔機(jī)器人是今年在市場(chǎng)以低價(jià)位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化清掃機(jī)器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂(lè)場(chǎng)所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8能夠通過(guò)自身的碰撞傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對(duì)其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂(lè)聲。 1.2.3 自主充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 在20世紀(jì)40年代末，Grey Walter開發(fā)第一個(gè)自主充電的移動(dòng)機(jī)器人名為：“Tortoises

23、”，這種機(jī)器人具有在神經(jīng)學(xué)研究中向著光線走的行為。Walter還發(fā)明了一個(gè)可以充電的小櫥，櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當(dāng)作充電站。通過(guò)光線束的引導(dǎo)，機(jī)器人來(lái)到櫥前通過(guò)接觸從而進(jìn)行自主充電。這個(gè)系統(tǒng)有如下的特征： (1)機(jī)器人的感知行為：感光； (2)充電站能夠發(fā)出機(jī)器人可以感知的光束； (3)能夠?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M(jìn)行具有一定準(zhǔn)確性地對(duì)接。 1998年，Tsukuba大學(xué)成功開發(fā)出了一款可以自動(dòng)充電的名為Yamabico-Liv的導(dǎo)游機(jī)器人。通過(guò)使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機(jī)器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境到達(dá)充電站，通過(guò)充電站上一些特殊的裝置的作用，實(shí)現(xiàn)自主充電。 最近，位于美

24、國(guó)的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究中心也開發(fā)出了一種叫做Sage的導(dǎo)游機(jī)器人，它是從卡內(nèi)基梅隆歷史博物館所使用的導(dǎo)游機(jī)器人Nomad XR4000改進(jìn)而來(lái)。機(jī)器人Sage通過(guò)其所攜帶的CCD攝像頭對(duì)標(biāo)識(shí)環(huán)境的三維路標(biāo)等進(jìn)行識(shí)別和處理，從而自主地尋找充電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。路標(biāo)被直接放于充電站的插座的正上方，通過(guò)它的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可靠地停靠在預(yù)設(shè)的充電位置處，從而實(shí)現(xiàn)充電，在插座和插孔中間沒(méi)有別的東西。在174天的操作運(yùn)行中，這個(gè)機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)135天無(wú)故障地運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，大約每九天就偶爾會(huì)要人為地進(jìn)行一些精度校正。 1.3 研究的目的和意義 吸塵機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融

25、合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場(chǎng)前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場(chǎng)前景。 融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部?jī)r(jià)格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機(jī)器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使

26、科技更好地為人類服務(wù)。 1.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) 由前面的設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要求，在寬400高100的體積下如何設(shè)計(jì)和布置好清掃機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)存垃圾機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，機(jī)器人中的關(guān)鍵部分清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是本次設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)所在。因?yàn)檫€要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有避障功能，所以其外形設(shè)計(jì)也應(yīng)該仔細(xì)考慮。清掃后的垃圾如何處理，以及如何布置吸塵設(shè)備也是本次設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)考慮的問(wèn)題。 第二章 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機(jī)器人系統(tǒng)通常由四個(gè)部分組成:移動(dòng)機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主體,決定了吸塵器的運(yùn)動(dòng)空間,

27、一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測(cè)距儀、接觸和接近覺(jué)傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機(jī)等。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展,吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。吸塵機(jī)器人的控制與工作環(huán)境往往是不確定的或多變的,因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測(cè)環(huán)境、分析信號(hào),以及通過(guò)適當(dāng)?shù)慕７椒▉?lái)理解環(huán)境,具有特別重要的意義。近年來(lái)對(duì)智能機(jī)器人的研究表明,對(duì)于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動(dòng)機(jī)器人,要進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度,主要依靠模式識(shí)別及障礙物識(shí)別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及適當(dāng)人工智能方法,還需要進(jìn)一步開發(fā)全局模

28、型,從而為機(jī)器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對(duì)吸塵機(jī)器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是:傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、吸塵技術(shù)、電源技術(shù)等。 2.1 傳感技術(shù) 為了讓吸塵機(jī)器人正常工作,必須對(duì)機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,還要感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息,使得吸塵機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有:編碼器、線加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當(dāng)前機(jī)器人的位置,線加速度計(jì)獲取線加速度信息,進(jìn)而得到線加速度和位置信息;陀螺儀測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人的角度、角速度、角加速度以

29、得到機(jī)器人的姿態(tài)角、運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向的改變等絕對(duì)航向信息。外部傳感器有:視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器。視覺(jué)傳感器采用CCD攝像機(jī)進(jìn)行機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航與定位、目標(biāo)識(shí)別和地圖構(gòu)造等;超聲波傳感器測(cè)量機(jī)器人工作環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構(gòu)造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關(guān)來(lái)探測(cè)機(jī)器人工作環(huán)境中的障礙物以避免碰撞。接觸和接近覺(jué)傳感器多用于避碰規(guī)劃。 2.2 路徑規(guī)劃技術(shù) 吸塵機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標(biāo),在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無(wú)碰撞的路徑,并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機(jī)器人路徑規(guī)劃研究開

30、始于20世紀(jì)70年代,目前對(duì)這一問(wèn)題研究仍舊十分活躍。其主要研究?jī)?nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)已知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境,按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。 對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題,目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的橢圓積分問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)起來(lái)依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息知道的程度不同,可以分為兩種類型:環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知,通過(guò)傳感器在線地對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè),以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個(gè)子問(wèn)題。其中環(huán)境建

31、模的主要方法有:可視圖法(V-Graph)、自由空間法 (Free Space Approach)和柵格法(Grids)等。 2.3 吸塵技術(shù) 真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流,將塵埃和臟物通過(guò)吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。最近,澳大利亞Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個(gè)吸塵器是一個(gè)全封閉系統(tǒng),既無(wú)外部氣體吸入,也無(wú)機(jī)內(nèi)氣體排除,所以就無(wú)需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體,最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。在英國(guó)Dyson

32、公司最近推出的DC06型智能吸塵器中就采用了這種技術(shù)。 2.4 電源技術(shù) 移動(dòng)電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要,可以說(shuō)是它的生命源。移動(dòng)電源需要同時(shí)滿足吸塵機(jī)器人的多種能源需要,如為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過(guò)程中保持恒定的電壓、內(nèi)阻小以便快速放電、可充電以及成本低等。但實(shí)際上沒(méi)有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn),這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種合適的電池,盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時(shí)間。 第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 本課題要研制一臺(tái)結(jié)

33、構(gòu)小巧、靈活，控制簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，初步完成自主移動(dòng)、自動(dòng)避障和路徑規(guī)劃任務(wù)的清潔機(jī)器人。整個(gè)清潔機(jī)器人由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機(jī)械部分包括高強(qiáng)度塑料底盤、外殼、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)隨動(dòng)輪。它們是吸塵電機(jī)、清潔刷、電池以及控制系統(tǒng)的載體。機(jī)器人整體外觀如圖3-1所示。 圖3-1 機(jī)器人整體外觀 3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 本清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。主要包括以下幾部分: (1) 個(gè)行走驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)。殼體前端和側(cè)面裝有紅外開關(guān)，作為碰撞檢測(cè)傳感器。底面的3個(gè)紅外開關(guān)作為臺(tái)階檢測(cè)傳感器，防止跌落。驅(qū)動(dòng)輪上裝有光電編碼盤，可以對(duì)輪速進(jìn)

34、行檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時(shí)還擴(kuò)展了超聲波傳感器，用于精確定位的需要; (2) 清掃機(jī)構(gòu)。用電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)清掃刷，使左面清掃刷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以在清掃灰塵時(shí)將灰塵集中于吸風(fēng)口處，為吸塵機(jī)構(gòu)的工作做準(zhǔn)備； (3) 吸塵機(jī)構(gòu)。制造強(qiáng)大的吸力，將灰塵吸入灰塵存儲(chǔ)箱中； 圖3-2 組成結(jié)構(gòu)圖 (4) 擦地機(jī)構(gòu)。在清掃、吸塵之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦除殘留在 地面上的細(xì)小灰塵，保證清潔工作的質(zhì)量。 移動(dòng)機(jī)構(gòu)是其它部件的載體，機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分有輪式、履帶式和步行式等。輪式和履帶式機(jī)器人適合條件較好的地面，而步行機(jī)器人則適合于條件較差的路面

35、。本課題研制的自主清潔機(jī)器人工作在環(huán)境較好的室內(nèi)，所以采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)較為適合。 輪式移動(dòng)機(jī)器人一般有三輪、四輪和六輪，移動(dòng)機(jī)器人若采用三輪結(jié)構(gòu)則比較簡(jiǎn)單，能夠滿足一般的需求，應(yīng)用也比較廣泛;四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;六輪與四輪類似，只不過(guò)有更大的承載能力和穩(wěn)定性。在本課題中，清潔機(jī)器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不惡劣，三點(diǎn)確定一個(gè)平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的。但是對(duì)負(fù)載有一定的限制，對(duì)三輪移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以采用三輪結(jié)構(gòu)就能滿足要求。 三輪轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式: (1) 鉸軸轉(zhuǎn)向式:轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)

36、向電機(jī)通過(guò)減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制鉸軸，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。 (2) 差速轉(zhuǎn)向式:在機(jī)器人的左、右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)控制左右輪的速度比實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)為自由輪。移動(dòng)機(jī)器人若采用鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡(jiǎn)單，但精度不是太高;差動(dòng)轉(zhuǎn)向式控制復(fù)雜，但精度較高?？紤]到本課題清潔機(jī)器人將來(lái)作為服務(wù)型機(jī)器人使用，在控制方式上應(yīng)達(dá)到一個(gè)較高層次，所以采用差動(dòng)轉(zhuǎn)向式比較好，并且其運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的精度也高一些，以便為以后的避障和軌跡規(guī)劃打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。因此本系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是三輪差速轉(zhuǎn)向式的，如圖3-3所示。 按照上述的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，清潔機(jī)器人采用兩直流電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右兩

37、輪的差動(dòng)方式，控制簡(jiǎn)單、精確、易于實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)吸塵機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，清潔機(jī)器人能夠在任意半徑下，以任意速度實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)彎，甚至可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即繞軸中點(diǎn)原地旋轉(zhuǎn))。 圖3-3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 3.1.2 工作原理 本系統(tǒng)的功能模塊關(guān)系如圖3-4所示。清潔機(jī)器人由多個(gè)功能模塊共同組成，這幾個(gè)模塊共同工作、相互協(xié)調(diào)、相互作用，保證了機(jī)器人能夠順利的進(jìn)行清掃。具體的工作原理如下清潔機(jī)器人的中心是清潔機(jī)器人的CPU，它對(duì)其它各個(gè)功能模塊進(jìn)行控制。信息采集模塊負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境以及機(jī)器人本身的各種信息。鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對(duì)機(jī)

38、器人的控制信息，然后把信息傳給CPU進(jìn)行處理。當(dāng)接收到需要機(jī)器人進(jìn)行清掃工作的信號(hào)時(shí)，CPU可以通過(guò)控制行走機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人進(jìn)行工作。在機(jī)器人工作的過(guò)程中還可以通過(guò)LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行時(shí)實(shí)的顯示。 3.2 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 3.2.1 機(jī)器人外形設(shè)計(jì) 根據(jù)家庭清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該包括清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，其中清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。通過(guò)在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書館查閱的資料，初步把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為長(zhǎng)寬均為400mm高為100mm的長(zhǎng)方體，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機(jī)器人在躲

39、避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物，而圓形物體則比較容易避開障礙物。因而最終把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為圓盤形，其外部輪廓大體如圖3-5所示 圖3-5 機(jī)器人外形圖 3.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱分布在清掃機(jī)構(gòu)的后方，兩個(gè)輪子和刷子支撐機(jī)體工作和運(yùn)動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面的接觸，從而利于更徹底的清掃。在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過(guò)控制行走機(jī)構(gòu)的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制兩個(gè)輪子，通過(guò)輪子的前后差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎半徑為0。 3.2.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 在清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中想

40、到了四種方案： (1) 電機(jī)帶動(dòng)斜齒輪1，斜齒輪1帶動(dòng)斜齒輪2，斜齒輪2帶動(dòng)斜齒輪3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃； 圖3-6 清掃機(jī)構(gòu)一 (2) 電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪1，錐齒輪1帶動(dòng)錐齒輪2，由錐齒輪2上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃； 圖3-7 清掃機(jī)構(gòu)二 (3) 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪的軸上分別接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃； 圖3-8 清掃機(jī)構(gòu)三 (4) 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃。 圖3-9 清掃機(jī)構(gòu)四 以上四種方案通過(guò)對(duì)比以及由設(shè)計(jì)的要求所限制，最終選擇方案四為清掃機(jī)構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如

41、下圖所示 圖3-10 清掃傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 因?yàn)樗O(shè)計(jì)的機(jī)器人它的體積有限制，在直徑為四百，高為一百的圓內(nèi)要放置有清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，同時(shí)還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方，而方案一雖然易于安裝，傳動(dòng)平穩(wěn)，但是斜齒輪所占的面積非常大，如果選用它，則會(huì)占用大量的空間，使其它幾個(gè)單元有些部分將放置不下，從而超出所要設(shè)計(jì)的尺寸，因而否定了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動(dòng)不如斜齒輪平穩(wěn)，同時(shí)錐齒輪一所占的體積也比較大，而清掃機(jī)構(gòu)又是本次設(shè)計(jì)中最重要的部分，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算及各個(gè)機(jī)構(gòu)總體布局的綜合考慮，舍棄了方案二；方案三中通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，再

42、有蝸桿帶動(dòng)其兩端的蝸輪，由蝸輪上的軸帶動(dòng)固定在其上的刷子旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了清掃的目的。為了使機(jī)器人的外壁在靠近墻邊時(shí)刷子能夠掃到墻壁的邊緣，同時(shí)使它在清掃過(guò)程中沒(méi)有工作盲區(qū)，開始設(shè)計(jì)時(shí)用兩個(gè)直徑都為200mm的刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為100mm,而在這種中心距的情況下，蝸輪蝸桿的尺寸都比較大，雖然能夠放置下，但是蝸輪蝸桿這個(gè)裝置就顯得比較笨重，所占的重量很大，這就加重了機(jī)器的人的總重量，因而這種方案也不是很合理；最后在方案三的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了方案四。方案四中通過(guò)兩邊加皮帶輪這個(gè)結(jié)構(gòu)縮小了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機(jī)器的總重量，同時(shí)還有利于其它機(jī)構(gòu)的安裝。因而選擇方案四為本次設(shè)計(jì)的

43、清掃機(jī)構(gòu)。 3.2.4 吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖3-11 吸塵器 在吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中將風(fēng)扇固定在垃圾儲(chǔ)藏室上壁，在風(fēng)扇上罩一個(gè)薄壁腔。在薄壁腔上方開一個(gè)圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲(chǔ)藏室上壁開兩個(gè)小長(zhǎng)方孔，在方孔下加上一個(gè)隔塵罩。（其大體圖形如圖3-11所示）通過(guò)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)垃圾儲(chǔ)藏室內(nèi)的空氣流動(dòng)，又通過(guò)儲(chǔ)藏室內(nèi)的管腔將刷子清掃引起的塵土吸附進(jìn)來(lái)，帶塵土的空氣通過(guò)防塵罩將塵土擋到垃圾儲(chǔ)物室內(nèi)，較干凈的空氣則通過(guò)吸塵室上壁腔的圓孔排帶大氣中去。從而實(shí)現(xiàn)吸塵的目的。 3.2.5 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在對(duì)垃圾收集處理機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，開始想用如圖下所示的結(jié)構(gòu)作為垃圾收集擋板。

44、 圖3-12 吸塵器原理 通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)和電機(jī)相連的小齒輪，小齒輪通過(guò)帶動(dòng)和其配對(duì)的大齒輪帶動(dòng)軸2 圖3-13 垃圾箱局部 旋轉(zhuǎn)，從而使軸2另一端上固定的大齒輪帶動(dòng)和其相連的小齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使垃圾收集擋板作揚(yáng)起動(dòng)作，將垃圾倒入其后面的垃圾儲(chǔ)藏室。垃圾收集擋板的揚(yáng)起放下動(dòng)作通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制。但是此種結(jié)構(gòu)所占的空間比較大， 圖3-14 上下支撐體零件圖 圖3-15 機(jī)器人本體 所示設(shè)計(jì)的家庭清潔機(jī)器人空間有限，不允許用這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿绻捎么朔N結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致其它一些機(jī)構(gòu)無(wú)法放置，因而此種方案不可行。后來(lái)將垃圾收集和儲(chǔ)倉(cāng)的機(jī)構(gòu)設(shè)置如圖3-13所示。垃圾儲(chǔ)藏室安放在機(jī)體

45、的最后邊，其前端用銷釘連接一個(gè)可以繞著銷釘旋轉(zhuǎn)的垃圾收集擋板，擋板用厚度為1mm的鋼板制成，表面光滑，旋轉(zhuǎn)的刷子可以將垃圾直接通過(guò)垃圾收集擋板掃到垃圾儲(chǔ)物室里，在儲(chǔ)物室末端，做一個(gè)和儲(chǔ)物室相匹配的拉門，其上端用螺釘從外壁擰入掛住在里邊，當(dāng)準(zhǔn)備倒垃圾時(shí)，將螺釘擰下來(lái)，抽出拉門，傾斜機(jī)體即可倒出垃圾。 因?yàn)榍鍜卟糠质羌彝デ鍧崣C(jī)器人的最重要的部分，整個(gè)機(jī)體的大半質(zhì)量都集中在這一部分。為了減輕機(jī)器的質(zhì)量，使其在使用時(shí)更方便一些，將這一部分單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)固定件固定在機(jī)體上，這樣既滿足工作要求又減輕了機(jī)體的質(zhì)量。清掃機(jī)構(gòu)的固定件如圖3-14所示。 最終設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人大體布局如圖3-15所示。

46、 第四章 總結(jié)也展望 4.1 發(fā)展趨勢(shì) 雖然自主吸塵機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步,進(jìn)入了實(shí)用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術(shù)上解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建模技術(shù).在此基礎(chǔ)上,自主吸塵機(jī)器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。 4.1.1 高度智能化 現(xiàn)在的自主吸塵機(jī)器人在行為上還處于“低級(jí)生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對(duì)路徑的規(guī)劃只是隨機(jī)的方式或者是基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式.在復(fù)雜環(huán)境和多房間的環(huán)境下,這種工作方式的效率會(huì)銳減.因此,建立CCD視覺(jué)系統(tǒng),融合多種傳感器進(jìn)行定位和環(huán)境建模,實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃,將是一個(gè)重要的研究方向.同時(shí),算法必須

47、考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲(chǔ)空間的限制。 4.1.2 功能擴(kuò)展 自主吸塵機(jī)器人是一個(gè)可移動(dòng)的智能平臺(tái),在吸塵功能之外可以進(jìn)行功能擴(kuò)展,比如進(jìn)行家電控制、房間環(huán)境監(jiān)測(cè)(防止火災(zāi)、電器故障、盜竊等).這方面的市場(chǎng)需求已經(jīng)被Tmsuk和三洋公司抓住,并在2002年發(fā)布了兩款這樣的機(jī)器人. 4.1.3 低成本化 智能機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),使用了大量的傳感器和一個(gè)或者多個(gè)高性能的微處理器,因此成本較高.但是為了讓普通人都可以享受科技進(jìn)步的成果,降低成本是個(gè)必由之路. 4.2 展望 盡管目前價(jià)廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來(lái)了一定的便利,但過(guò)大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。吸塵機(jī)器人作

48、為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)新產(chǎn)品,將使人們能在無(wú)人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價(jià)格低的特點(diǎn),吸塵機(jī)器人將具有誘人的市場(chǎng)前景,有關(guān)資料也預(yù)測(cè)吸塵機(jī)器人是未來(lái)幾年需求量最大的服務(wù)機(jī)器人。特別是日用清潔電器不論是在市場(chǎng)上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對(duì)是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來(lái)仍有相當(dāng)大的成長(zhǎng)空間。盡管目前國(guó)內(nèi)外在吸塵機(jī)器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過(guò)高和許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚急待解決或提高,主要有以下幾個(gè)方面: (1)目前,價(jià)格過(guò)高是嚴(yán)重影響吸塵機(jī)器人打入家電市場(chǎng)的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開發(fā)專用運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)字處

49、理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍(lán)牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過(guò)采用藍(lán)牙技術(shù)將過(guò)高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶的個(gè)人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機(jī)器人的成本控制在千元左右。 (2)未來(lái)的吸塵機(jī)器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù),研究開發(fā)出對(duì)環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對(duì)環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與 控制器,使吸塵機(jī)器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。 (3)為了有效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對(duì)現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計(jì)

50、合理的吸塵時(shí)間以及相協(xié)調(diào)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度,確保滿意的吸塵效果。 (4)電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人的核心之一,除了有效地提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和吸塵速度以延長(zhǎng)電池的實(shí)際吸塵時(shí)間外,還尚需優(yōu)化自動(dòng)充電方案,保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行充電,自動(dòng)完成對(duì)指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價(jià)格比的不斷提高或改進(jìn),相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來(lái)幾年內(nèi)就會(huì)推出價(jià)格適中的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人產(chǎn)品,進(jìn)而使吸塵機(jī)器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái)可觀的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。 參考文獻(xiàn) [1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [2] 聶毓琴 孟廣偉

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