【正文】 的產(chǎn)銷(xiāo)量也大幅增加,在我國(guó)市場(chǎng)具有旺盛的生命力。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展,人們的物質(zhì)和精神生活質(zhì)量的提高,迫切需要從繁重的清潔工作中解脫出來(lái)。由此誕生了一種家用服務(wù)型吸塵機(jī)器人,它將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái),實(shí)現(xiàn)家庭、賓館、寫(xiě)字樓等室內(nèi)環(huán)境的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔,因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。本文針對(duì)清潔機(jī)器人,就國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹,并對(duì)吸塵機(jī)器人近期發(fā)展中的若干問(wèn)題進(jìn)行了探討。2 國(guó)內(nèi)外吸塵機(jī)器人研究現(xiàn)狀目前在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家,吸塵機(jī)器人開(kāi)發(fā)較早,應(yīng)用范圍也較廣,近兩年來(lái),已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種面向市場(chǎng)的智能吸塵機(jī)器人。 國(guó)外現(xiàn)狀澳大利亞某公司也研制出可自動(dòng)行駛并打掃房間的 V4 型機(jī)器人,這種全自動(dòng)吸塵器表面光滑,體積很小,呈圓形,內(nèi)置搜索雷達(dá),可以搜索各種房間里的每一處,不會(huì)碰撞家俱或其它障礙物。微處理小電腦使它具備在拐至屋角處能探測(cè)方向、選擇前進(jìn)路線(xiàn)的能力。只要將全自動(dòng)吸塵器放在地面上,它便可自動(dòng)開(kāi)始工作。其搜索雷達(dá)會(huì)探測(cè)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(lái)回移動(dòng)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?chē)?360176。配備了障礙物傳感器,因此可以在檢測(cè)墻壁及障礙物的同時(shí)打掃地面。當(dāng)打掃完可以行駛的場(chǎng)所后 ,機(jī)器人就自動(dòng)關(guān)閉電源。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(wú)遮掩區(qū)域四處運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行清潔工作,因?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周?chē)?所以它要?jiǎng)?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(jiǎn)單,僅有 3 個(gè)按鈕:開(kāi)始、結(jié)束以及暫停 ,人們只要簡(jiǎn)單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中(這種全自動(dòng)吸塵器機(jī)器人很輕,一只手就可以容易拿起它), 按下開(kāi)始按鈕即可。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)目前也已開(kāi)始有關(guān)的研究開(kāi)發(fā)工作,特別是在移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與8控制方面取得了一定的成就,為研究開(kāi)發(fā)吸塵機(jī)器人奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。某大學(xué)開(kāi)發(fā)研制了全方位移動(dòng)地面清掃機(jī)器人,該機(jī)器人的控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確解讀遙控信號(hào),并對(duì)機(jī)體下達(dá)工作指令,隨時(shí)接收“眼睛”(即紅外光電開(kāi)關(guān)和超聲傳感器)感知的四個(gè)方向的外部障礙信息,并據(jù)此要求機(jī)器人做直線(xiàn)或轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),行進(jìn)中,它不停轉(zhuǎn)動(dòng)地板刷,把地面上的灰塵全部填進(jìn)“肚”內(nèi),這種機(jī)器人一次充電可持續(xù)工作半小時(shí),具有智能電源管理功能,延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間,平均每分鐘行走速度為 15 m。此外,該吸塵機(jī)器人采用開(kāi)放式機(jī)器人控制結(jié)構(gòu) ,實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展、軟件可移植、可集成,使得機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性。同時(shí),其它院校對(duì)移動(dòng)吸塵機(jī)器人也作了大量研究工作,取得了不少的成果。3 吸塵機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 路徑規(guī)劃技術(shù)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,其實(shí)質(zhì)就是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的導(dǎo)航和避碰。機(jī)器人工作環(huán)境不同,分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)巳知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境。自 20 世紀(jì)70 年代研究以來(lái),移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的方式不同,大致分為三種類(lèi)型:①基于模型的路徑規(guī)劃,主要處理結(jié)構(gòu)化環(huán)境 ,規(guī)劃方法有柵格法、可視圖法、拓?fù)浞ǖ?。②基于傳感器信息的路徑?guī)劃 ,主要用于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境,克服環(huán)境條件或形狀無(wú)法預(yù)測(cè)的因素,方法有人工勢(shì)場(chǎng)法、確定柵格法和模糊邏輯算法等。③基于行為的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題研究中的新動(dòng)向,就是把導(dǎo)航問(wèn)題分解為許多相對(duì)獨(dú)立的單元即行為基元,如避碰、跟蹤、目標(biāo)制導(dǎo)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,多傳感器集成與信息融合技術(shù)在智能機(jī)器人上獲得了廣泛的應(yīng)用。非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn),基于多傳感器信息融合的移動(dòng)機(jī)器人的避障策略及其路徑規(guī)劃技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。 多傳感器融合技術(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(xiàn)加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤(pán)等用于控制和監(jiān)測(cè)機(jī)器人本身。外部傳感器包括視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、紅外線(xiàn)傳感器、接觸和接近傳感器等安裝在機(jī)器人自身用于感知外部環(huán)境9信息。從上述國(guó)內(nèi)外吸塵機(jī)器人可以看出,吸塵機(jī)器人都采用了大量的傳感器,有效地把大量的傳感器觀測(cè)信息進(jìn)行融合處理,從而使機(jī)器人獲得最大量的外部環(huán)境信息,其主要優(yōu)點(diǎn)就是在同樣的觀測(cè)條件下,可以協(xié)調(diào)使用多個(gè)傳感器,把分布在不同位置的多個(gè)同質(zhì)或異質(zhì)傳感器所提供的局部不完整觀測(cè)量及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)信息加以綜合,消除多傳感器間存在的冗余和矛盾,并加以互補(bǔ),降低不確定性,從而獲得對(duì)物體或環(huán)境的一致性描述,這都是任何單一傳感器所無(wú)法獲得的。運(yùn)用多傳感器融合技術(shù)對(duì)提高移動(dòng)機(jī)器人定位、障礙物識(shí)別、環(huán)境建模、避障的精度等具有重要作用。融合的主要方法有: Kalman 濾波法、Bayes 估計(jì)法、統(tǒng)計(jì)決策法、DS 推理法、模糊邏輯法及產(chǎn)生式規(guī)則等。 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、排氣管以及其它一些附件,其吸塵能力取決于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。最近,澳大利亞某公司開(kāi)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)。 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)它是吸塵機(jī)器人的生命源。移動(dòng)電源需同時(shí)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,為吸塵操作模塊及傳感觀測(cè)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,如鉛酸電池、NiCd、NiMi 等。理想的電源在放電過(guò)程中應(yīng)該能夠具備:①保持恒定的電壓。②內(nèi)阻小以便快速放電。③可充電。④成本低等特點(diǎn)。但實(shí)際上沒(méi)有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn)。由于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人要求具有體積小、自重輕等特點(diǎn),所以電源的體積重量也是一個(gè)重要的考慮因素,這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種體積小、容量大、可重復(fù)使用性高的電池,盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時(shí)間。4 結(jié)論與展望吸塵機(jī)器人作為服務(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,該吸塵機(jī)器人如能大批量生產(chǎn)使成本降低,以低價(jià)格進(jìn)入市場(chǎng),將會(huì)具有巨大的市場(chǎng)前景,有關(guān)資料也預(yù)測(cè)吸10塵機(jī)器人是未來(lái)幾年需求量最大的是服務(wù)機(jī)器人。盡管目前國(guó)內(nèi)外在吸塵機(jī)器人研究開(kāi)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)題急待解決,主要有以下 3 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,為了大幅度降低其成本,必須開(kāi)發(fā)智能傳感器、專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)字處理芯片。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(hù)的個(gè)人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機(jī)器人的成本降低在千元左右。(2)未來(lái)的吸塵機(jī)器人將向自主式和人工智能化發(fā)展,因此必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù),研究對(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)劃與控制器及高效的傳感器融合算法,是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性行為的機(jī)器人的關(guān)鍵。 (3)電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人研究工作的核心問(wèn)題之一,除了為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、吸塵及控制電路提供能量外,還需優(yōu)化自動(dòng)充電方案,保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行充電,能夠自動(dòng)完成對(duì)指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。在研究提高化學(xué)電池使用壽命、縮小體積的同時(shí),一種新興的質(zhì)子交換膜燃料電池具有功率大、能量高、壽命長(zhǎng)和體積小等優(yōu)點(diǎn),為移動(dòng)電源提供了一種合適的電源,目前,上海某大學(xué)燃料電池研究所在這方面進(jìn)行著有益的嘗試。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),相信在現(xiàn)有的軟硬件條件的基礎(chǔ)上,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(hù),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。