【文章內(nèi)容簡介】 置自動啟動利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃入自帶容器中 ， 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 suba 實驗室和 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，并將臟水吸入所帶的容器中 ， 機(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動清洗系統(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單位而積，按照其存儲器中 的單位面積識別其行使路線 ， 機(jī)器人還可利用其傳感器識別和躲避障礙物。 另一種叫“路徑地圖模式”， 機(jī)器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行駛，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)器人不會避障，僅適用于需要反復(fù)擦洗的指定地段。 東日本鐵路公司和 東芝公司聯(lián)合研制的用于座椅布局簡單的列車內(nèi)部地面清洗的機(jī)器人 ， 其體積小 、 重量輕、易于出入 車廂及在車廂之間 ， 運動感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學(xué)、接觸式的接近傳感器，機(jī)器人采用推算定 位法，利用編碼器中的數(shù)據(jù)，保持自己的位置和路徑 ，若探測到錯誤位置，機(jī)器人會通過距離傳感器自動修正。 高級的列車地面清洗包括掃除垃圾、噴灑清洗液、擦洗、回收污水、用清水沖洗和給地面打蠟六個步驟 ， 日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機(jī)器人，可用于各種工廠的清掃工作，機(jī)器人采用光纖陀螺控制機(jī)器人的方向采用編碼器和超聲波傳感器測距 ，采用光學(xué)探測器探測障礙物機(jī) 7 器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一 旦 機(jī)器人 與人接觸，觸覺傳感 器信號會使機(jī)器人停下來以保證人的安全 ， 松下和日立公司研制出了可清掃磚地木質(zhì)地板和地毯地面的清潔機(jī)器人 ， 該機(jī)器人采用蓄電池作為動力源可自動去充電站充電，能夠自主避障和路徑規(guī)劃。 松下電器產(chǎn)業(yè)公司在 2021 年上半年推出了家庭用清潔機(jī)器人的試制機(jī)。該機(jī)器人可以根據(jù)房間的形狀地板狀況垃圾量進(jìn)行自動清掃，還配 備有避開墻壁爐子等熱源以及障礙的安全功能， 該機(jī)器人配備有 50 個傳感器 ， 可 以 一邊自動行走 一 邊進(jìn)行清掃， 工作時首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開障礙物的同時開始縱橫來回移動 ， 清潔工作完成后會自動停止。該機(jī)器人清掃一般的日本式房間約需要 9min， 相當(dāng)于人打掃同樣大房間所需時間的 倍，可清掃房間地板的 92％ 93％，機(jī)器人利用光及超聲波的測距傳感器及感應(yīng) 傳感器來避開障礙 物，機(jī)器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來控制行走姿勢以保持既定的行進(jìn)方向， 但在地毯上行走時 ， 如果不采取措施則會受到“地毯花紋”影響而彎曲前進(jìn) ，因此該公司在機(jī)器人中安裝 了方 向 自舵?zhèn)鞲衅?，可以檢測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方自偏差，由此即 使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進(jìn)。 機(jī)器人體內(nèi)還安 裝有防止從臺階等高處滾下的落差傳感器 、 感知暖爐等熱源的熱傳感器器、 檢測自身 所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測添加動力的負(fù)載傳感器， 機(jī)器人同普通的障礙物最少保持 10cm 的距離，而在探測到熱源時將會同熱源至少保持 50cm 的距離。 英國 Dy son 公司最近推出一種型號為 DC06 的智能吸塵器 ， 這是世界首次開發(fā)研制的全自動吸塵機(jī)器人， 這種機(jī)器人具有一定的人工智能，只需輕按開關(guān)它就會為你解除每天打掃房間的煩惱。如圖 4 所示，吸塵機(jī)器人形狀呈 50 厘米長的模型汽車狀， 重 公斤左右，配置了 70 多個傳感器，可隨時將發(fā)現(xiàn)的情況 ，告訴由 3 臺內(nèi)置電腦組成的“大腦”， 大腦每秒可發(fā)出 16 條命令來指揮吸塵器的工作。充電后一按開關(guān)機(jī)器人會在瞬間通過所搭載的三臺小型計算機(jī)和 70 個傳感器計 算出自己所在位置、房問大小及臟亂程度、家具的配置等。要是小孩或動物 等外來物體接近吸塵器，它就會自動停止工作 ， 接近樓梯口時吸塵器會自動采用保護(hù) 措施 以防止?jié)L到樓下。使用時，只要打開電源選好速度按下“走”鍵，吸塵器就會自動工作，其他程序都由它自己獨立完成 ， 不過該產(chǎn)品目前價格太高(4000 美元左右一臺 )，要真正 推向市場還有相當(dāng)?shù)碾y度，如 圖 4 所示 ： their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX8 圖 4 英國 Dy son 公司 DC 系列清掃機(jī)器人 澳大利亞的 FloorBotics 公司最近也研制出可自動行駛并打掃房間的 V4 型機(jī)器人，如圖 15 所示 ， 這種全自動吸塵器表面光滑，體積很小，呈圓形內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以搜索各種房問里的每一處 ， 不會碰撞家具或其它障礙物 ， 微處理小電腦使它具備在拐至屋角處能探測方向選擇前進(jìn)路線的能力 ， 只要一放在地面上，全自動吸塵器便可自動開始工作 ， 其搜索雷達(dá)會探測 出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡， 然后再不規(guī)則地來回于房間的其它 位置，并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機(jī)器人由于在主機(jī)的周圍 360 度配備了障礙物傳感器，因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面。當(dāng)打掃完可以行駛的場所后，機(jī)器人就自動關(guān)閉電源 ， 在經(jīng)過 4 個小時充電后可以連續(xù)工作 1個小時以上，通過更換配件還可以打掃地毯等 ， 如果打掃沒有障礙物的地面時，1 個小時可以打掃 360 平方米 ， 不管房間的外形及面積的大小， ARNA 導(dǎo)航算法引導(dǎo)機(jī)器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運動來進(jìn)行清潔工作 ， 因為機(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周圍， 所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖 ， 機(jī)器人不需要任何編程教它應(yīng)該去哪 里，該機(jī)器人操作簡單，僅有三個按鈕：開始，結(jié)束以及暫停。 人們只要簡單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中，按下開始按鈕即可 。 如圖 15所示： 9 2021 年 11 月，三星公司推出一款代號為 VCRP30W 的機(jī)器人，如圖 16 所示： VCRP30W 主要依靠 3D 地圖技術(shù)來進(jìn)行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對房間每個角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VCRP30W 會自動轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)大的智能 判斷系統(tǒng)使得 VCRP30W 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 時間及清掃區(qū)域等，從而實現(xiàn)主人不在家時機(jī)器人也能進(jìn)行自動清掃。事實上，用戶除了可以對它本身進(jìn)行設(shè)置外，還能通過計算機(jī) 查看 安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個機(jī)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)時它自動回到充電座補(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。 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX10 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在國內(nèi)的一些大學(xué)、如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一 定的 成果，對清掃機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器 人 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、動力驅(qū)動等技術(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)出一種全方位移動清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點：采用全放位移動技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對狹窄區(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)境下的實時避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運動方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(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)計成功國內(nèi)第一個左右初步能 自主吸塵 的 機(jī)器人，這種智能吸塵機(jī)器人 工作時，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)， 利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間， 之后，利用隨機(jī)和局部規(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 的實際家庭環(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還沒有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺和全局定位功能，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 17 所示： 圖 17 國產(chǎn) KV8 保潔機(jī)器人 KV8 保潔機(jī)器人是今年在市場上以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國 11 內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機(jī)器人。它廣泛適用于家庭辦公和娛樂場 所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。 KV8 能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。 電源 自主充電技術(shù) 自主充電也是目前清掃機(jī)器人的主要研究問題， 當(dāng)清掃機(jī)器人 在 清掃過程中能夠自我感知電量不足 時 ，將暫停清掃作業(yè)主動尋找充電站，進(jìn)行自動充電的能力，也是表現(xiàn)機(jī)器人自主認(rèn)知能力的主要方面。 20 世紀(jì) 40 年代末， G 熱源 Walte開發(fā)第一個自主充電的移動機(jī)器人名為：“ Tortoises”，這種機(jī)器人具有在神經(jīng)學(xué)研究中想著光線 走的行為。 Walter 還發(fā)明了一個可以充電的小櫥，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。通過光纖束的引導(dǎo)，機(jī)器人來到櫥前通過接觸從而自主充電，這個系統(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)確性地對接。 1998 年 Tsukuba 大學(xué)成功開發(fā)出了一款可以自動充電的名為 YamabicoLiv 的導(dǎo)游機(jī)器人。通過使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機(jī)器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實驗 室的環(huán)境到達(dá)充電站，通過充 電站上一特殊的裝置的作用實現(xiàn)自主充電。 因此，當(dāng)前對自主充電功能的設(shè)計研究也有很多。利用充電基站發(fā)出紅外線信號，幫助清掃機(jī)器人尋找充電站的位置是目前已經(jīng)研究成熟的方法?；緦φ诠ぷ鞯那鍜邫C(jī)器人兩種相對離充電基站遠(yuǎn)近不同的信號，但當(dāng)機(jī)器人收索不到信號時，會根據(jù)已經(jīng)建立的地圖去尋找充電位置，按照相應(yīng)路徑規(guī)劃去靠近基站，直到收到信號為止。如德國的凱馳 RC30000 的清掃機(jī)器人就利用類似的原理自動充電。國內(nèi)的清掃機(jī)器人能自動充電的產(chǎn)品較少 。自主研究的成果也有，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的清掃機(jī)器人就能自動尋找充電站對接 技術(shù)，但未見產(chǎn)品上市。 研究的目的和意義 清掃 機(jī)器人將移動機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融臺起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作近年來已受到國內(nèi)外的研究人員 重視。作為智能移動機(jī)器人的一個特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自動 式吸塵 器比較具體地體現(xiàn)了移動機(jī)器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。就 市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強(qiáng)度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場館的室內(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，又具有廣闊的市場前景。 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX12 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)一部價格便宜，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鹿清掃機(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、使科技更好地為人類服務(wù)。 設(shè)計的重點和難點 由前面的設(shè)計家庭清潔機(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)計和布置好清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、 吸塵機(jī)構(gòu)和儲存垃圾機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計的重點，機(jī)器人中的關(guān)鍵部分清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計也是本次設(shè)計中的難點所在。因為還要求所設(shè)計的機(jī)器人具有避障功能，所以其外形設(shè)計 也應(yīng)該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)計中需要仔細(xì)考慮的問題。 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)通通常由四個部分組成：移動機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主題，決定了吸塵器的運動空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和 CCD 攝像機(jī)等。隨著近年來計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)研究和開發(fā)已 具備了件事的基礎(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。用傳感器探測環(huán)境、分析信號，以及通過適當(dāng)?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境，具有特別重要的意義，近年來對 智 能機(jī)器人的研究表明，對于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動機(jī)器人，要進(jìn)一步提高其自動化程度，主要依賴模式識別及障礙物識別、實時數(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)全局模型，從而為機(jī)器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對吸塵機(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 。 傳 感技術(shù) 為了讓吸塵機(jī)器人正