清潔機(jī)器人專題報(bào)告資料

8清潔機(jī)器人專題報(bào)告姓 名： 廖聰學(xué)號(hào)： 2015143227層 次： 本科專業(yè)： 機(jī)械電子工程班級(jí)： 15機(jī)電2班指導(dǎo)教師： 吳培旭2018年5月清潔機(jī)器人一、清潔機(jī)器人專題概述隨著傳感器、控制、驅(qū)動(dòng)及材料等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步 ,機(jī)器人首次在制造領(lǐng)域以外的服務(wù)行業(yè)開辟了新領(lǐng)域。 清潔機(jī)器人就是一種新型的服務(wù)機(jī)器人。 清潔機(jī)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)、人工智能等多學(xué)科為一體。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。 清潔機(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)、 圖像和語音識(shí)別、 傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。 清潔機(jī)器人具有如下的特點(diǎn) :(1)清潔機(jī)器人自帶電源 ,小巧輕便,操作簡(jiǎn)單、 自主性強(qiáng)、 具有很強(qiáng)的實(shí)用性 ,(2)清潔機(jī)器人的工作環(huán)境主要為普通家庭環(huán)境 ,但要求有較好的環(huán)境適應(yīng)性。二、清潔機(jī)器人的分類1、按清潔機(jī)器人的用途可以分為掃地機(jī)器人、拖地機(jī)器人、吸塵機(jī)器人、空氣凈化機(jī)器人、搽擦窗機(jī)器人等。2、按清潔機(jī)器人的清潔路線可以分為隨機(jī)覆蓋清潔機(jī)器人和路徑規(guī)劃清潔機(jī)器人。其清掃路線圖如圖 11規(guī)劃式清掃路線與隨機(jī)式清掃路線圖三、清潔機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究清潔機(jī)器人系統(tǒng)通常由 4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)；是一項(xiàng)集合傳感檢測(cè)、 信息處理、 運(yùn)動(dòng)控制、 電源等多學(xué)科的研究成果。其關(guān)鍵技術(shù)包括多傳感器信息融合技術(shù)、導(dǎo)航和定位技術(shù)及路徑規(guī)劃技術(shù)等。1、多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合是指綜合來自多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的機(jī)器人狀態(tài)信息， 如在清潔機(jī)器人中融合激光雷達(dá)、 超聲傳感器、紅外傳感器、 里程計(jì)的信息等。 多傳感器信息融合處理的基本原理類似于人類大腦處理信息的過程， 能夠通過對(duì)多種傳感器反饋信息的合理分析與使用， 得以降低各種單一傳感器在空間和時(shí)間局限性方面的影響， 并且通過冗余信息的解析，更加完善和更加精確地反映出檢測(cè)對(duì)象的特性， 消除信息的不確定性， 得到對(duì)觀測(cè)環(huán)境具備較高可行性的一致性結(jié)果。2、導(dǎo)航和定位技術(shù)清潔機(jī)器人需要自主移動(dòng)，無論是局部實(shí)時(shí)避障，還是全局規(guī)劃，都需要較精確地確定機(jī)器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置， 以完成導(dǎo)航、 避障及路徑規(guī)劃等任務(wù)。一般地，機(jī)器人通過航位推算方法、信標(biāo)定位方法以及混合定位方法，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航和定位。航位推算方法是最為常用的一種方法，通過機(jī)器人自身的里程計(jì)、陀螺儀、加速度計(jì)等內(nèi)部傳感器， 實(shí)時(shí)解算機(jī)器人自身的速度、 姿態(tài)信息。 以出發(fā)點(diǎn)為絕對(duì)零點(diǎn)，則可以漸進(jìn)累加地推算出機(jī)器人當(dāng)前所在的位置和姿態(tài)。 此種方法隨著工作時(shí)間的增加， 積分運(yùn)算誤差和定時(shí)系統(tǒng)時(shí)差引起的誤差將會(huì)逐漸累積， 因此不適于長時(shí)間的精確定位。清潔機(jī)器人在室內(nèi)地板上的運(yùn)動(dòng)可視為在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)， 如果室內(nèi)允許布置信標(biāo)（如充電樁或其他滿足信標(biāo)條件的標(biāo)志物），則可以通過傳感器，檢測(cè)機(jī)器人與信標(biāo)之間的相對(duì)距離與位姿， 實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人的室內(nèi)導(dǎo)航與定位。 信標(biāo)定位的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)， 沒有累積誤差， 精度穩(wěn)定性好， 且可通過多信標(biāo)冗余覆蓋的方式， 彼此互為位置校準(zhǔn)或當(dāng)某個(gè)信標(biāo)故障時(shí)， 機(jī)器人仍可成功定位?；旌隙ㄎ环椒ㄈ诤狭撕轿煌扑惴椒ㄅc信標(biāo)定位方法各自的優(yōu)勢(shì)。3、路徑規(guī)劃技術(shù)機(jī)器人路徑規(guī)劃是智能機(jī)器人的重要研究方向。 路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和控制的基礎(chǔ) ,也是移動(dòng)機(jī)器人順利完成任務(wù)的關(guān)鍵之一。路徑規(guī)劃的任務(wù)是根據(jù)任務(wù)目標(biāo)和全局環(huán)境信息規(guī)劃出無碰撞的行走路徑 ,并在按照全局路徑規(guī)劃的行走中碰到障礙物時(shí)根據(jù)各種傳感器綜合提供的局部環(huán)境信息重新規(guī)劃局部規(guī)劃）,避開障礙物后再按原規(guī)劃 （沿著原來路線的延長線 ）繼續(xù)行進(jìn)。 全局路徑規(guī)劃的通常方法有自由空間法、 拓?fù)鋱D法以及改進(jìn)的 A算法、遺傳算法、 人工勢(shì)場(chǎng)法等。局部路徑規(guī)劃的通常方法有 :空間搜索法 ,基于融合數(shù)據(jù)的直接規(guī)劃法、 層次性感知?jiǎng)幼餍袨榉ā?勢(shì)場(chǎng)法、柵格法、模糊糊邏輯法、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法等。全局路徑規(guī)劃可以分為兩大類 :點(diǎn)到點(diǎn)尋優(yōu)和全覆蓋。點(diǎn)到點(diǎn)尋優(yōu)應(yīng)用在大多數(shù)機(jī)械手和一般性移動(dòng)機(jī)器人中。 其實(shí)質(zhì)就是尋找一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的能夠避開障礙物的盡可能短的易于跟蹤的路徑。 方法主要有位形空間法、 頂點(diǎn)圖象法、 柵格空間法、人工勢(shì)場(chǎng)法、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。 全覆蓋指的是規(guī)劃一條可行而且盡可能短的路徑,以便使機(jī)器人運(yùn)行軌跡充滿一整塊區(qū)域。四、清潔機(jī)器人的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)目前，國際及國內(nèi)的許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都在從事智能機(jī)器人的研究與開發(fā)工作,研究的內(nèi)容包括清潔機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、路徑規(guī)劃多傳感器的信息融合、 語音識(shí)別、 仿人和仿生技術(shù)、 智能控制等。 由于機(jī)器人涉及到計(jì)算機(jī)、機(jī)械、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳感器技術(shù)、信息處理、仿生學(xué)及智控制等許多學(xué)科 ,因此,清潔機(jī)器人的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)與這些學(xué)科的發(fā)展息息相關(guān)。現(xiàn)在，清潔機(jī)器人多采用紅外傳感器、接觸式傳感器、超聲波傳感器等，少部分高端機(jī)型使用了線掃描激光雷達(dá)傳感器。 對(duì)于智能化的清潔機(jī)器人室內(nèi)定位和復(fù)雜路徑規(guī)劃的需求而言， 傳感器提供的信息尚顯不足， 這是其中一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。五、我國的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)近幾年，清潔機(jī)器人正在以驚人的速度普及， 市場(chǎng)發(fā)展十分迅猛。 前期發(fā)展階段，清潔機(jī)器人主要以改進(jìn)清潔效能為主。 現(xiàn)階段，清潔機(jī)器人在保證提供較優(yōu)良的清潔效果后， 勢(shì)必轉(zhuǎn)向多傳感器融合、 導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等智能化核心技術(shù)的發(fā)展方向上。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行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)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。目前國內(nèi)的科沃斯、?，斕?、海爾等公司已經(jīng)相繼推出他們的清潔機(jī)器人產(chǎn)品?，F(xiàn)在市場(chǎng)上， 海爾公司的 SWRC清潔機(jī)器人在功能上相對(duì)比較健全。1 它具有五大功能：定時(shí)預(yù)約清掃、智能遠(yuǎn)程操控、虛擬墻分區(qū)清掃、智能防跌撞、智能回歸充電。 它能夠設(shè)定時(shí)間對(duì)清掃區(qū)域進(jìn)行清掃， 同時(shí)可以通過配置紅外線虛擬器，阻止機(jī)器人進(jìn)行無需清掃區(qū)域，實(shí)現(xiàn)清掃的目的。如圖 2所示：2海