智能清洁机器人设计报告书.docx
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智能清洁机器人设计报告书
设计大纲
市场调研
2.1、市场调研计划书
2.2、市场调研问题的设计
2.3、调研报告资料的整理
调研分析
3.1、市场前景的分析
3.2、现有产品的评价
3.3、产品设计的环境分析
3.4、现有产品的分析
市场定位
4.1、功能定位
4.2、技术定位
4.3、产品设计定位
设计方案
5.1、设计草图
5.2、最终方案
设计总结
Chapterone设计大纲
1.1、设计目的：
面向目前家庭所用的智能清洁机器人设计。
关注家庭的细节生活品味，通过对智能清洁机器人的造型设计，让操作不再那么枯燥乏味，温馨地融入家庭环境中。
可以带来更愉快的人机交互体验，造型本身的语言就有很多值得探讨的问题。
1.2、具体的设计要求和设计依据：
1.智能清洁机器人的设计不必受现有形式的束缚，可以在对未来人们生活方式的展望中任意发散思维，设计方案要有新意。
2.可从新使用方式、结构形式、造型变化、新材料的运用等多方面作为切入点进行设计。
3.清扫路径规划。
机器人能否合理的规划地面的清扫路径，在清扫到墙角或家具腿等障碍物时能否尽最大能力清扫，清扫后有无死角等。
4.多房间清扫以及限制区域功能。
一般家庭都有多个房间，机器人清洁时是否有计划的覆盖到全部的房间，同时如果有一些区域不希望被清洁，是否有方便的办法对区域进行限制。
5.一次充电的清扫面积。
一次充电后的清扫面积有多大，是否适合您家庭的面积。
6.清扫速度/充电速度。
单位面积的清扫时间，充满电需要的时间。
7.清洁时的噪声。
清洁时是否会产生噪音，噪音为多少分贝。
尤其对于以”吸”为主要清洁方式的机器来说，此项很重要，因为往往它们工作时的声音都较大。
8.机身规格。
如高度是否可以钻进常用的家具下。
9.细节上的使用体验。
如是否有中文提示、是否防跌落、是否能够自动返回充电等等。
1.3、设计任务：
1、进行产品造型改变，增加产品功能性、亲和力。
2、随着现代设计的发展，人们对产品的要求不仅仅是功能上的满足，更追求精神和情感上的满足，是指在产品使用过程中与产品的信息的沟通互动以及获得的体验，即是情感化设计。
比如通过产品造型上的创新，给人一种新的生活体验。
3、情趣性，可通过设计过程中对一些如仿生元素的融合以及传统元素的添加实现对产品的附加价值的提升。
例如通过一个有趣的外型或有趣的操作方式，为使用者增添乐趣。
4、协调性，这不仅要求外形的设计要与周围的使用环境相和谐，同时要求智能清洁机器人的使用要与消费群体的生活方式，价值观念精神需求相一致，这也是未来设计的趋势。
ChaptertWO市场调研
2.1、信息检索阶段
在这个阶段主要完成以下几个方面的任务：
1、对现有产品的功能、造型、色彩外观进行调查，该阶段主要调研手段为网上调研或通过书籍杂志搜集资料。
2、通过对相关专业书籍和信息的整理了解产品的工作原理和生产技术，确保设计出来的产品不与现实脱节。
2.2、市场调研阶段
时间：
2014年05月5-20日
目的：
在该阶段主要通过问卷和询问观察获得市场和产品信息
2.3、设计调查的内容：
1、上网查看相关书籍和图片以及通过网上购物网站淘宝、京东相关产品市场销售分析，着重研究对现有的产品功能、形态、到颜色搭配以及制作材料，使用寿命进行调查。
2、着重对畅销产品进行分析，了解消费者的需求，提取其优秀设计元素。
3、通过对产品使用过程的观察，和对部分产品的亲自操作中体验产品设计中的优缺点，并找出解决问题的方法。
4、通过对消费者的观察和询问进行分析，以了解未来10年的生活方式，掌握最新的消费需求和发展动态。
2.4、市场调研分析：
1.国内外相关产品的研究：
地面清洁机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于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，带动了家庭服务机器人行业的发展，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发展。
现结合国内外的文献将清扫机器人及其自动充电技术的发展现状阐述如下。
2.国外产品研究状况：
对于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，但是对于家庭机器人我们所了解的却相当的少，而日本，欧美等国家的研究则比较领先，有的都已经投入市场，在实际中投入使用。
在日本，东日本铁路公司、Shink电器公司和Howa工业有限公司联合研制了车站地面清扫机器人，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”控制。
东日本路公司、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。
20世纪90年代，美国就推出了地面清洁机器人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月清洁机器人＂Roomba”在美国面市，它重约２ｋｇ，直径为30英寸，具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作，据说这是将用于军事的“躲避地雷的移动技术”应用到了吸尘器上。
Roomba的动作有点儿迟缓，但它却能稳定、安全地完成任务。
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清洁机器人“特里洛巴伊特”上市销售，“特里洛巴伊特”主要由清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清扫后，它便可以按行走过的清扫线路进行自动清扫。
这种机器人是充电式的，每一次充电可连续工作１小时。
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打扫房间的烦恼。
3.国内产品研究状况：
在国内的一些大学，如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果，对清洁机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。
哈尔滨工业大学于90年代开始致力于这方面的研究，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。
该机器人具有如下特点：
采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机器人铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。
浙江大学于1999年初在浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。
这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习：
利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径；清扫结束以后，自行回到充电座补充电力。
吸尘机器人在5.5×3.5m2的实际家庭环境中，工作10分钟可以达到90%以上的覆盖率。
更大房间的清扫试验还没有进行。
目前，系统正在引入机器视觉和全局
定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。
如图所示。
KV8保洁机器人是今年在市场以低价位卖得比较火的一款产品，也是国内首个产品化清扫机器人。
它广泛用于家庭、办公和娱乐场所，以及其它一些人员不便进入的地方。
KV8能够通过自身的碰撞传感器来实现随机的清扫和碰撞处理，需要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐声。
4.自主充电技术发展现状：
在20世纪40年代末，GreyWalter开发第一个自主充电的移动机器人名为：
“Tortoises”，这种机器人具有在神经学研究中向着光线走的行为。
Walter还发明了一个可以充电的小橱，橱中有能够发射光束的装置和充电器，并把它当作充电站。
通过光线束的引导，机器人来到橱前通过接触从而进行自主充电。
这个系统有如下的特征：
（1）机器人的感知行为：
感光；
（2）充电站能够发出机器人可以感知的光束；
（3）能够对电池和充电器进行具有一定准确性地对接。
最近，位于美国的卡内基梅隆大学的机器人研究中心也开发出了一种叫做Sage的导游机器人，它是从卡内基梅隆历史博物馆所使用的导游机器人NomadXR4000改进而来。
机器人Sage通过其所携带的CCD摄像头对标识环境的三维路标等进行识别和处理，从而自主地寻找充电站实现自动充电。
路标被直接放于充电站的插座的正上方，通过它的引导，实现机器人可靠地停靠在预设的充电位置处，从而实现充电，在插座和插孔中间没有别的东西。
在174天的操作运行中，这个机器人成功地实现135天无故障地运转。
与此同时，大约每九天就偶尔会要人为地进行一些精度校正。
5.设计的重点和难点
由前面的设计家庭清洁机器人的工作内容和要求，在宽400高100的体积下如何设计和布置好清扫机构，行走机构，吸尘机构和储存垃圾机构是本次设计的重点，机器人中的关键部分清扫机构的设计也是本次设计中的难点所在。
因为还要求所设计的机器人具有避障功能，所以其外形设计也应该仔细考虑。
清扫后的垃圾如何处理，以及如何布置吸尘设备也是本次设计中需要仔细考虑的问题。
ChapterTHERE调研分析
通过前一阶段的市场调研和资料整理得出产品的市场分析和评价。
包括市场前景的评价、现有产品的评价、社会评价三个部分。
3.1、市场前景的评价：
随着生活水平的提高，人们越来越注重生活质量的提高。
具有亲和力的产品更容易为消费者所接受。
因为满足消费者心里需求的外观设计必将拥有广阔的市场前景。
3.2、现有产品的评价：
结构单一、色彩单调、缺乏亲和力、与现代设施的摆设缺乏协调性、一体性。
3.3、现有产品的社会评价：
由于大众消费者对已有产品的满足及使用惯性，对智能清洁机器人的上述几方面即表现不满足又无可奈何，只能被动接受那些产品。
因此，智能清洁机器人的革新将带来对人的深刻关怀。
3.4、产品设计的环境分析
这里的环境分析包括产品的使用环境分析和使用者即消费者的生存环境分析两部分。
1、产品的使用环境分析：
（1）、智能清洁机器人可以室内使用并且应具有户外使用功能。
（2）、可以自动调节清洁的路径和时间，并具有自我协调能力。
2、使用者的生存环境分析：
使用者的生存环境分为社会环境和自然环境两种。
自然环境值得时使用者当前生存的客观自然状况包括能源状况，污染程度，绿化水平，具体包括空气质量指数，水质状况等等，这些都是算是使用者的客观的自然生存环境，这些因素直接影响了人的生活方式和生活质量以及对产品的生理心理需求。
所谓社会环境，是指由人类主体聚集、汇合后所形成的社会状况和条件。
传播活动的参与者实际上是以个人身份同媒介环境、社会环境发生关系。
人既是自己赖以生存的社会环境的形成者，又是这一环境的受影响者。
3、自然环境的分析
自然环境中与人类社会发展有关的、能被利用来产生使用价值并影响劳动生产率的自然诸要素，通常称为自然资源，可分为有形自然资源（如土地、水体、动植物、矿产等）和无形的自然资源（如光资源、热资源等）。
自然资源具有可用性、整体性、变化性、空间分布不均匀性和区域性等特点，是人类生存和发展的物质基础和社会物质财富的源泉，是可持续发展的重要依据之一。
4、社会环境的分析
社会环境的构成因素是众多而复杂的，对于影响人们生活方式的因素主要可以分为一下四个方面：
政治因素、经济因素、文化因素、讯息因素。
（1）政治因素包括政治制度及政治状况
（2）经济因素关系到经济制度和经济状况，如实行市场经济的程度、经济发展速度、物质丰富程度、人民生活状况、广告活动情况等；（3）文化因素是指教育、科技、文艺、道德、宗教、价值观念、风俗习惯等；（4）讯息因素包括讯息来源和传输情况，讯息的真实公正程度、讯息爆炸和污染状况等。
如果上述因素呈现出良好的适宜和稳定状态，那么就会对大众传播活动起着促进、推动的作用；相反，就会产生消极的作用。
3.5现有产品分析
在本阶段主要针对现有产品进行分析，包括功能分析，技术分析，操作界面的分析，造型特点的分析，市场定位的分析。
以下为几方面的具体分析资料
1.功能分析
●清扫路径规划。
机器人能否合理的规划地面的清扫路径，在清扫到墙角或家具腿等障碍物时能否尽最大能力清扫，清扫过后有无死角等。
●多房间清扫以及限制区域功能。
一般家庭都有多个房间，机器人清洁时是否有计划的覆盖到全部的房间，同时如果有一些区域不希望被清洁，是否有方便的办法对区域进行限制。
●一次充电的清扫面积。
一次充电后的清扫面积有多大，是否适合您家庭的面积。
●清扫速度/充电速度。
单位面积的清扫时间，充满电需要的时间。
●清洁时的噪声。
清洁时是否会产生噪音，噪音为多少分贝。
尤其对于以”吸”为主要清洁方式的机器来说，此项很重要，因为往往它们工作时的声音都较大。
●机身规格。
如高度是否可以钻进常用的家具下。
●细节上的使用体验。
如是否有中文提示、是否防跌落、是否能够自动返回充电等等。
2.技术分析
●家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成:
移动机构、感知系统、控制系统和吸尘系统。
移动机构是吸尘机器人的主体,决定了吸尘器的运动空间,一般采用轮式机构。
感知系统一般采用超声波测距仪、接触和接近觉传感器、红外线传感器和CCD摄像机等。
随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展,吸尘机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。
吸尘机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的,因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。
用传感器探测环境、分析信号,以及通过适当的建模方法来理解环境,具有特别重要的意义。
近年来对智能机器人的研究表明,对于工作在复杂非结构环境中的自主式移动机器人,要进一步提高其自动化程度,主要依靠模式识别及障碍物识别、实时数据传输及适当人工智能方法,还需要进一步开发全局模型,从而为机器人获取全局信息。
目前发展较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是:
传感技术、智能控制技术、路径规划技术、吸尘技术、电源技术等。
3.造型分析
●对于现有智能清洁机器人的造型分析，经过小组商讨，我们决三从以下几个方面入手进行分析整合发现不足之处提取优秀的设计元素。
分别是色彩方面，材料方面，形态的的大小尺寸，线条的处理来进行分析。
在这里我们将结合一些具体的设计案例进行分析。
●针对造型方面
●
●现有智能清洁机器人造型方面一般多采用圆盘形造型，原因有以下几个方面：
（1）最大限度的提供方便，匹配周围环境。
（2）方便批量包装运输。
（3）简化造型降低生产成本。
虽然有存在的合理性，但同时也存在着问题，即产品的千篇一律的造型给人产生视觉疲劳，缺乏亲和力。
更不要说产生人机之间的沟通，所以只能这样说这是一个合理的但是并不优秀的家电设计。
从该类产品中我们应该提取的元素是：
实用、简单。
4.针对颜色方面
针对颜色方面，现有智能清洁机器人颜色一般比较生硬，也有少数做的很优秀的如上图所示的智能清洁机器人，我们不难看出这个智能清洁机器人的配色是非常简洁，对与设计的颜色问题没有定式的答案，没有确定的颜色适合某类产品，颜色的搭配对产品的表现有着非常重要的意义。
因此从这个设计各例来看，我们应该提取的元素是：
选用成功的配色方案巧妙的表达餐具容器的功能。
5.针对材质方面
针对材质方面，我们小组特意进行了调查，发现现有智能清洁机器人的外壳材质一律采用了生硬的PVC塑料制品，采用塑料的优点在于方便耐用，造价成本低，造型性能好。
而缺点在于硬度不够，在携带的过程中容易损坏，同时亲和力较弱，手感较为僵硬，给人冰冷生硬的感觉。
6.产品线条的处理
在线条处理方面，综合了现有智能清洁机器人的特点来看，整体线条较硬。
图示为我们调查过程中线条处理较为优秀的设计。
这款产品在整体上给人柔和舒适的感觉，有比较好的亲和力。
提取的优秀设计元素为：
柔化线条，增强亲和力。
3.6市场分析
由于现有的智能机器人的智能水平还不够高，因此在今后的发展中，努力提高各发面的技术及其综合应用，大力提高智能机器人的智能程度，提高智能机器人的自主性和适应性，是智能机器人发展的关键。
同时，智能机器人涉及多个学科的协同工作，不仅包括技术基础，甚至还包括心理学、伦理学等社会科学，让智能机器人完成有益于人类的工作，使人类从繁重、重复、危险的工作中解脱出来，就像科幻作家阿西莫夫的“机器人学三大法则”一样，让智能机器人真正为人类利益服务，而不能成为反人类的工具。
相信在不远的将来，各行各业都会充满形形色色的智能机器人，科幻小说中的场景将在科学家们的努力下逐步成为现实，很好地提高人类的生活品质和对未知事物的探索能力。
我国的智能机器人发展还落后于世界先进水平，而智能机器人又是高科技的集中体现，具有重要的发展价值，因此我国在智能机器人领域要认清形势、明确发展发现和目标，采取符合我国国情的可行发展对策，努力缩小与世界领先水平的差距，早日让智能机器人全面为社会的发展服务。
相信经过政府的重视和投入，科技工作者的不懈奋斗，我国的智能机器人发展水平能达到新的高度。
Chapterfore市场定位
通过对调研资料的整理，我们在功能、技术、市场、操作、造型以及市场和消费群体方面进行如下市场定位。
虽然自主吸尘机器人的研究已经取得了很大进步,进入了实用阶段,但是自主能力、工作效率方面还不理想,需要在技术上解决传感器技术、定位和环境建模技术.在此基础上,自主吸尘机器人可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发展。
4.1功能定位
现在的自主吸尘机器人在行为上还处于“低级生物”的阶段,环境感知能力有限,对路径的规划只是随机的方式或者是基于局部环境信息的规划方式.在复杂环境和多房间的环境下,这种工作方式的效率会锐减.因此,建立CCD视觉系统,融合多种传感器进行定位和环境建模,实现全局路径规划,将是一个重要的研究方向.同时,算法必须考虑系统的处理速度、存储空间的限制.
4.2技术定位
自主吸尘机器人是一个可移动的智能平台,在吸尘功能之外可以进行功能扩展,比如进行家电控制、房间环境监测（防止火灾、电器故障、盗窃等）.这方面的市场需求已经被三洋公司抓住,并在2002年发布了两款这样的机器人.
智能机器人是一个复杂的系统,使用了大量的传感器和一个或者多个高性能的微处理器,因此成本较高.但是为了让普通人都可以享受科技进步的成果,降低成本是个必由之路.
4.4产品设计定位
尽管目前价廉物美的吸尘器给人们的清洁工作带来了一定的便利,但过大的噪音依然让大多数使用者望而却步。
吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。
因此,只要生产成本兼顾到日用电器批量大、价格低的特点,吸尘机器人将具有诱人的市场前景,有关资料也预测吸尘机器人是未来几年需求量最大的服务机器人。
特别是日用清洁电器不论是在市场上或者是在产品的创新上,绝对是所有小家电产品中最活跃的,未来仍有相当大的成长空间。
尽管目前国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果,但成本过高和许多关键技术问题尚急待解决或提高,主要有以下几个方面:
（1）目前,价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素,因此为了大幅度降低其成本,我们必须开发专用运动控制和数字处理芯片以及微型传感器。
其次,应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景,通过采用蓝牙技术将过高的数字处理器成本转移到用户的个人电脑上,则有望在短期内将吸尘机器人的成本控制在千元左右。
（2）未来的吸尘机器人将向智能化和自主式发展,因此我们必须结合现有的基于自适应控制、模糊逻辑、遗传算法等的移动机器人运动规划和控制技术,研究开发出对环境变化具有良好的自适应性和鲁棒性、对环境障碍物具有安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与
控制器,使吸尘机器人完成与人工操作质量相同甚至更好的吸尘工作。
（3）为了有效地提高清洁的质量,还需要对现有的吸尘技术进行改进。
根据环境的脏洁程度,采用模糊逻辑等技术设计合理的吸尘时间以及相协调的机器人运动速度,确保满意的吸尘效果。
电源技术是吸尘机器人的核心之一,除了有效地提高机器人运动和吸尘速度以延长电池的实际吸尘时间外,还尚需优化自动充电方案,保证机器人能及时进行充电,自动完成对指定环境的吸尘任务。
随着吸尘机器人关键技术和性能价格比的不断提高或改进,相信根据现有的软硬件条件,未来几年内就会推出价格适中的全自动吸尘机器人产品,进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千家万户,为这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益。
Chapterfive设计方案
一、我们讨论各种方案（思想风暴）
二、我们设计的几款智能清洁机器人方案
三、最终定稿的方案
四、最终方案的效果图
五、方案的宣传海报
Chaptersix设计总结
经过这次的智能清洁机器人的设计，我们真的学到了很多知识，同时很感谢老师和同学们对我们小组的指导。
我们觉得这次的设计真真的感受到了设计的乐趣，同时发现自己在专业知识上有很多不懂得和不熟悉的，所以，在接下来的学习过程中，我们会认真学习专业知识，为以后这样的设计而积累知识。
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