家庭清洁机器人设计.docx

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家庭清洁机器人设计

1前言

1.1课题设计背景和题目要求

近年来,随着计算机技术与人工智能科学的飞速开展,智能机器人技术逐渐

成为现代机器人研究领域的热点.其中,效劳机器人开辟了机器人应用的新领域.效劳机器人的出现主要有三大原因：

一是劳动力本钱的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动,如活洁、家务、照顾病人等；三是人口的老龄和社会福利制度的完善也为某些效劳机器人提供了广泛的市场应用前景.效劳机器人区别丁工业机器人的一个主要特征就是效劳机器人是一种适用丁具体的方式、环境及任务

过程的机器人系统,其活动空间大,具有在非结构环境下的移动性,因此效劳机器人大多数是移动机器人.

自动进行房间地面活洁的自主吸尘式家庭效劳机器人,集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、限制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体.自主吸尘机器人作为智能移动机器人实用化开展的先行者,其研究始丁20世纪

80年代,到目前为止,已经产生了一些概念样机和产品.吸尘机器人的开展,带动了家庭效劳机器人行业的开展,也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的开展本次设计的题目<<家庭活洁机器人>>就是在这种背

景下提出的,其具体设计要求如下：

设计家庭活洁机器人的工作内容和要求：

运行机构形式：

轮式

最高行进速度：

0.5m/s

转弯半径：

0

高度：

<100mm

宽度：

<400mm

活洁方式：

吸尘、刷扫

一次充电连续工作时间：

0.5小时警示方式：

LED闪光

具有自动路径规划、避障功能

具有自动充电装置.

1.2国内外相关产品研究

地面活洁机器人作为智能移动机器人实用化开展的先行者,其研究始丁20

世纪80年代,到目前为止,已经产生了一些概念样机和产品.吸尘机器人的发展,带动了家庭效劳机器人行业的开展,也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的开展.现结合国内外的文献将活扫机器人及其自动充电技术的开展现状阐述如下.

1.2.1国外产品研究状况

对丁机器人大家可能不会太陌生,工业机器人在很多领域都得到了比较广泛的应用,但是对丁家庭机器人我们所了解的却相当的少,而日本,欧美等国家的

研究那么比较领先,有的都已经投入市场,在实际中投入使用.

RC3000是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面活洁工作的活洁机器

人,如图1-1所示,它有光电传感器和芯片限制,当遇到障碍时,会随机改变一个角度,然后继续直走,直到遇到新的障碍物.内置了四种活洁程序,保证在遇到不同污渍的地面时,可以调整其活洁程序；通过传感器对丁地板污渍的判断,选择适宜的应用程序.内置光敏传感器,保证在遇到楼梯与台阶时,能够自动避让,不会掉落.扁平的设计使其能够活洁床,沙发,茶几等家具的下部位置.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限制机器人完成相应的操作.

如图1-1所示.

图1-1智能机器人RC3000

Fig1-1IntelligentRobotRC3000

在日本,东日本铁路公司、Shink电器公司和Howa工业联合研制了车站地面活扫机器人,机器人可沿墙壁从任何一个位置自动启动,利用不断旋

转的刷子将废弃物扫人自带容器中.该机器人可采用“磁导引方式〞、“示教方

式〞或“墙面复制方式〞限制.东日本路公司、富士工业Subaru实验

室和JR东方设施治理联合研制了车站地面擦洗机器人,该机器人工作时一面将活洗液喷洒到地面上,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,自动活洗系统

有两种,一种是“面积设定模式〞,即将待活洗的面积分为假设干个单位面积,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“路径地图模式〞,机器人根据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,仅适用丁需要反复擦洗的指定地段.

东日本铁路公司和东芝公司联合研制的用丁座椅布局简单的列车内部地面活洗的机器人,其体积小、重量轻、易丁出人车厢及在车厢之间运动,感知系统采用超声波距离传感器和光学、接触式的接近传感器；机器人采用推算定位法,利用编码器中的数据,保持自己的位置和路径,假设探测到错误位置,机器人会通

过距离传感器自动修正；高级的列车地面活洗包括扫除垃圾、喷洒活洗液、擦洗、回收污水、用活水冲洗和给地面打蜡六个步骤.日本静甲株式会社的活水工厂开发出一种自动活扫机器人,可用丁各种工厂的活扫工作,机器人采用光纤陀螺控制机器人的方向,采用编码器和超声波传感器测距,采用光学探测器探测障碍物,机器人的四周装有橡胶垫,橡胶垫内部装有触觉传感器,一旦机器人与人接触,触觉传感器信号会使机器人停下来以保证人的平安.松下和日立公司也研制出了

可活扫砖地木质地板和地毯地面的活洁机器人,该机器人采用蓄电池作为动力源,可自动去充电站充电,能够自主避障和路径规划.

松下电器产业公司在2002年上半年推出了家庭用活洁机器人的试制机.该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动活扫,还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的平安功能；该机器人配备有50个传感器可一边自动

行走一边进行活扫,工作时首先沿房间四周走一圈,记忆房间形状,然后在避开

障碍物的同时开始纵横往返移动,活洁工作完成后会自动停止.该机器人活扫一股的日本式房间约需要9min,相当丁人清扫同样大房间所需时间的1-1.5倍,可活扫房间地板的92%-93%;机器人利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍物,机器人的内置回转传感器用来限制行走姿势以保持既定的行进方向,但在地毯上行走时如果不采取举措那么会受到“地毯花纹〞影响而弯曲前

进,因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器,可以检测出由丁地毯花纹影响

而产生的行进方向偏差,因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进,机器人体内还安装有预防从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传

感器,机器人同普通的障碍物最少保持10cm的距离,而在探测到热源时,将会同热源至少保持50cm的距离.

20世纪90年代,美国就推出了地面活洁机器人RoboScrub,该机器人配有激光导航系统,采用超声波测距和避障,用光码条实现定位.2002年9月活洁机器人〞Roomba〞在美国面市,它重约2kg,直径为30英寸,具有高度自主

水平,可以游走丁房间各家具缝隙问,灵巧地完成活扫工作,据说这是将用丁军事的“躲避地雷的移动技术〞应用到了吸尘器上.Roomba的动作有点儿缓慢,

但它却能稳定、平安地完成任务.由丁能够在完成任务后自动切断电源,所以可以在外出期间让Roomba在家进行活扫.如图1-2所示.

图1-2智能清洁机器人Roomba

Fig1-2IntelligentCleaningRobotRoomba

2002年10月1日,瑞典的拉克斯电子公司与日本东芝公司共同开发的活洁机器人“特里洛巴伊特〞上市销售,“特里洛巴伊特〞主要由活扫机器和超声波传感器构成,在工作时可避开室内摆放的各种家具用品.只要家庭主妇领着它搞

过一次活扫后,它便可以按行走过的活扫线路进行自动活扫.这种机器人是充电

式的,每一次充电可连续工作1小时.

瑞典家电制造商伊莱克斯（Electolux）研制生产的活洁机器人小“三叶虫〞高13mm,直径35mm,外表光滑,呈圆形,内置搜索雷达,可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器血、宠物或任何其它障碍物.一旦微处理器识别出这些障碍物,它可重新选择路线,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活扫.在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方,只要有一条磁铁,小“三叶虫〞便不会跨越.小“三叶虫〞开始启动后,体内的搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽.这样它便能探测出

整个房间的格局,计算出活扫整个房间所需的时间.只要一接近一件障碍物,它

便会重新设定行进路线,不会漏掉每一个角落.电线或地毯的边缘不会被认作是

图1-3三叶虫

Fig1-3TRILOBITE

障碍物.小“三叶虫〞的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮,可以越过电线或地毯边缘,不被绊住.电源缺乏时,小“三叶虫〞会自动回到充电卡座自行充电.如果此时房间还没有活扫完毕,小“三叶虫〞还有记忆功能,充好电后自己回到原处继续吸尘,如图1-3所示.英国、法国和澳大利业也都推出过活洁机器人产品.

英国Dyson公司最近推出一种型号为DC06的智能吸尘器.这是世界首次开发研制的全自动吸尘机器人〞.这种机器人具有一定的人工智能,只需轻按开关它就会为你解除每天清扫房间的烦恼.如图1-4所示,吸尘机器人形状呈50厘

米长的模型汽车状,重9.2公斤左右,配置了70多个传感器,可随时将发现的情况告诉由3台内置电脑组成的〞大脑〞.〞大脑〞每秒可发出16条命令来指挥吸尘器的工作.充电后一按开关,机器人会在瞬间通过所搭载的三台小型计算机和70个传感

器计算出自己所在位置、房间大小及脏乱程度、家具的配置等.要是小孩或狗等

外来物体接近吸尘器,它就会自动停止工作.接近楼梯口时,吸尘器会自动采取保护举措,以预防滚到楼下.使用时,只要翻开电源、选好速度、按下〞走"键,吸尘器就会自开工作,其它程序都由它自己独立完成.不过该产品目前价格太高〔4000美元左右一台〕,要真正推向市场还有相当的难度,如图1-4所示.

图1-4智能机器人DC06

Fig1-4IntelligentRobotDC06

澳大利业的FloorBotics公司最近也研制出可自动行驶并清扫房间的V4型

机器人,如图1-5所示.这种全自动吸尘器外表光滑,体积很小,呈圆形,内置搜索$达,可以搜索各种房间里的每一处,不会碰撞家具或其它障碍物.微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的水平.只要一放在地面上,全

自动吸尘器便可自动开始工作.其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙

壁把地板四周的灰尘及异物吸尽；然后再不规那么地往返丁房间的其它位置,并且能在接近障碍物之前迅速转向.该吸尘机器人由丁在主机的周围360度配备了障碍

物传感器,因此可以在检测墙壁及障碍物的同时清扫地面.当清扫完可以行驶的场所后,机器人就自动关闭电源.在经过4个小时充电后可以连续工作1个小时以上,通过更换配件还可以清扫地毯等.如果清扫没有障碍物的地面时,1个小时

可以清扫360平方米.不管房间的外形及面积的大小,ARNA导航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行活洁工作.由于机器人导航沿房

间的周围,所以它要创立自己的空间参考图,机器人不需要任何编程〞教它应该去哪里〞.该机器人操作简单,仅有三个按钮：

开始,结束以及暂停.人们只要简单地将它放置在需要活扫的区域或房间中〔这个机器人吸尘器很轻,一只手就可以容易拿起它〕,按下开始按钮即可,如图1-5所示.

图1-5V4智能吸尘机器人

Fig1-5V4Intelligentcleaningrobot

2003年11月,三星公司推出一款代号为VC-RP30W的机器人吸尘器,如图1-6所示.VC-RP30W主要依靠3D地图技术来进行定位,并能灵巧地躲避障碍物,能够快速、高效地对房间每个角落进行吸尘.当遇到障碍物或者死角等情况,VC-RP30W会自动转向继续工作.其强大的智能判断系统使得