移动式服务机器人的发展现状及我们的研究
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图 1 为美国 Pr obo tics 公司 1999 年生产 的 Cye 小型家用移动式服务机器人, 它可牵引一辆 小型拖车在室内运送饮料、信件等生活用品, 或牵 引吸尘器进行室内清扫工作。Cye 采用双轮差动
驱动方式, 环境信息的获取采用地图输入方式, 可 跟踪声音信号, 任务完成后能自动返回总站待命。 图 2 为 美国 Denning 公司与 Windso r 工业 公司 90 年 代 初合 作 生产 的 地 面吸 尘 机 器人 RoboScrub, 它采用超声传感检测障碍, 并配有高精度 激光导航系统。RoboScrub 的导航系统需要光码 条来实现机器人定位, 限制了其应用范围。Kent 公司设计了另 外一种清扫机器人 Ro bo Kent , 如 图 3 所示, 它不需要导引条码或定位路标, 但需要 操作者辅助其完成对清扫区域周边的探测, 因而 其清扫区域限于简单的矩形区域。
机器人路径规划的方法主要有: C-空间法、人 工势场法、可视图法、单元分解法和分解法等。这 些方法各有所长, 但离完全实用化还有一段距离, 需多方面技术的提高和改进。 2. 4 电源技术
移动电源的地位在移动式服务机器人中历来 十分重要, 可以说是它的生命源。移动电源需要同 时满足机器人的多种能源需要, 如为移动机构提 供动力、为控制电路提供稳定的电压和为服务执 行模块提供能源等。在移动式服务机器人领域, 一 般采用化学电池作为移动电源。理想的电池应该 具有十分高的能量密度、能够在放电过程中保持 恒定的电压、内阻小以便具有快速放电能力、能够 耐高温、可充电以及成本低等。但实际上没有一种 电池可同时具备上述优点, 这就要求设计人员根 据实际任务的需要, 选择一种合适的电池。表 3 简
导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。在国 内, 上海大学研制出导购机器人, 哈尔滨工业大学 研制出导游机器人和清扫机器人等。从广义上讲, 移动机器人也包括空间机器人( 如美国的火星探 路者) 和水下机器人( 如我 国研制的海下 6000m 探测机器人) , 它对机器人的控制技术、传感技术 和材料等方面提出了更高的要求。
电气传动 2000 年 第 4 期
移动式服务机器人的发展现状及我们的研究
哈尔滨工业大学 王炎 周大威
摘要: 本文介绍了近年来在 国外迅速发展的移动式服务机器人的发展 现状及其关键技术, 同时介绍了作者 所在单位在该领域的研究工作。
关键词: 移动机器人 服务机器人 传感技术 智能控制
Development of Mobile Service Robots and Our Research Work
典型容量
( mAh)
AA
1 400
C
4 500
D
10 000
1 200～120 000
A 3. 0 C
D
1 800 5 000 14 000
1. 35 Coin
190
Leabharlann BaiduAA 1. 2 C
500 1 800
D
4 000
1. 3
AA 4/ 3A
1 100 2 300
内阻 (8) 0. 1 C- 0. 006 0. 3 10 0. 009
移动机器人狭义上 指的是地面可移动 机器 人, 主要包括军事领域和民用服务领域机器人两 种。军事智能机器人包括侦察机器人、爆炸物处理 机器人和步兵支 援机器人等, 种类繁多、功能强 大、用途广泛, 发展潜力巨大。在民用移动服务机 器人方面, 日本和美国处于遥遥领先的地位。机器 人被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导游、
术是: 传感技术、智能控制技术、路径规划技术、电 源技术等。
2. 1 传感技术 为了让机器人正常工作, 必须对机器人的位
置、姿态、速度和系统内部状态等进行监控, 还要 感知机器人所处的工作环境的静态和动态信息, 使得机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地
适应工作环境的变化。有效地获取内部和外部信 息, 对移动式服务机器人的正常工作、提高工作效 率、节省能源和防止意外事故都是非常重要的。
表 1 内部传感器
传 感 器
种 类
特定位置角度传感器 微型开关、光电开关
任意位置角度传感器 速度角速度传感器
电位器、旋转变压器、码盘、关节角 传感器 测速发电机、码盘
加速度传感器
应变片式、伺服式、压电式、电动式
倾斜角传感器
液体式、垂直振子式
方位角传感器
陀螺仪、地磁传感器
表 2 外部传感器
功 能
传感器
5
电气传动 2000 年 第 4 期 图 4 Robos ent ry 保安机器人 图 5 HelpM at e 护理机器人
目—— 高楼壁面清洗爬壁机器人和玻璃幕墙壁面 清洗爬壁机器人的研究工作, 成功地完成了样机 的研制工作。另外, 还与香港中文大学合作研制了 全方位移动地面清扫机器人。目前, 正努力实现科 研成果的产业化工作。下面分别介绍一下壁面清 洗爬壁机器人和地面清扫机器人。 4. 1 壁面清洗爬壁机器人
组合型、单元型
接近觉传感器 接近觉传感器
距离传感器
倾斜角传感器
空气式、磁场式、电场式、光学 式、声波式
光学式 ( 反射光量、定时、相位 信息) 声波式 ( 反射 音量、传输 时间 信息)
旋转式、振子式、摆动式
平衡觉传感器 方向传感器
万向节式、内球面转动式
姿态传感器
机械陀螺仪、光学陀螺仪
4
目前已开发出各种各样的传感器, 可分为内 部传感器和外部传感器两大类。内部传感器用于 监测和控制机器人自身, 外部传感器安装在机器 人上, 用于感知外部环境信息。具体如表 1、表 2 所示。 2. 2 机器人智能控制技术
Wang Yan Zhou Daw ei
Abstract: In t his paper, t he development of mobile service robot s in f or eign count ries is int roduced, and several k ey t echn iques of mobile s ervice robot s ar e in clud ed. A l so, t he paper int roduces our recent research w ork in t he area.
种 类
测量传感器 视觉传感器
识别传感器
光学 式( 点 状、线 状、圆 形、螺 旋形等)
光学式、声学式
接触式传感器 单点式、分布式
触觉传感器 压觉传感器
单点式、高密度集成式、分布式
滑觉传感器
点接触式、线接触式、面接触式
力觉传感器
力传感器 力矩传感器
力和力矩传感器
电阻应变片式、压电式、电容式、 电感式及各种外力传感器
图 8 德国的加油机器人
4 我们的研究工作
我们于 90 年代开始致力于服务机器人的研 究工作, 先后承担了国家 863 高科技计划资助项
智能控制是具有智能信息处理、智能反馈和 智能控制决策的控制方式, 是控制理论发展的高 级阶段, 主要用来解决那些用传统方法难以解决 的复杂系统的控制问题, 智能控制研究对象的主 要特点是具有不确定的数学模型、高度的非线性 和复杂的任务要求。现在实用的控制方法有: 多级 递阶智能控制、基于知识的智能控制、模糊控制、 神经控制、基于规则的仿人智能控制、基于模式识 别的智能控制和混沌控制等。而目前在移动式服 务机器人控制中应用最多的智能控制方法是模糊 控制和神经网络控制。 2. 3 移动机器人路径规划技术
在 863 国家高技术计划及省科委的支持下, 哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功壁面清洗 爬壁机器人, 主要用于瓷砖壁面及玻璃壁面的清 洗作业, 图 9 和图 10 分别是机器人在进行清洗大 楼的瓷砖壁面和玻璃壁面。
图 6 P2、P3 仿人机器人
图 9 用于瓷砖壁面清洗的爬壁机器人
图 7 用于飞机清洗的“清洗巨人”机器人
下面就移动式服务机器人的关键技术、国内外 发展现状和我们的研究工作等方面分别予以介绍。
2 移动式服务机器人的关键技术
一个理想化完善的移动式服务机器人系统通 常由 3 个部分组成: 移动机构、感知系统和控制系 统。移动机构是服务机器人的本体, 决定机器人的 运动空间, 有步行机构、轮式机构、履带式机构和 混合机构等几种。感知系统一般采用 CCD 摄像 机、激光测距仪、超声测距仪、接触和接近传感器、 红外线传感器和雷达定位传感器等。随着计算机 技术、人工智能技术和传感技术的迅速发展, 移动 式服务机器人控制系统的研究具备了坚实的技术 基础和良好的发展前景。服务机器人的控制与工 作环境的有关信息往往是多义的、不完全的或不 准确的, 还可能随着时间而改变。因此在部分已知 或未知的环境中同时又要求自主执行任务时, 应 以最大的人员安全性及功能可靠性为条件, 用传 感器探测环境、分析信号, 以及通过适当的建模方
3
电气传动 2000 年 第 4 期
式来理解环境, 具有特别重要的意义。近年来对智 能机器人的研究表明, 对于工作在复杂或非结构 化环境中的自主式移动机器人, 要进一步提高其 自主程度, 主要依靠模式识别及障碍物识别, 实时 数据传输及适当的人工智能方法, 还要进一步开 发全局模型, 从而为机器人获取全局信息。目前发 展较快、对服务机器人的发展影响较大的关键技
电气传动 2000 年 第 4 期
单介绍了各种化学电池的性能和特点。
表 3 各种可作为机器人移动电源的化学电池
化学电池 名称
碱性电池 铅酸电池 锂电池 水银电池
N iCd
N iM H
能否充电 否 能 否 否 能 能
能量密度 ( Wh / kg)
130 40 300 120 38
57
单元电压 1. 5 2. 0
说 明
一般用作主电池
有各种大小 高能量密度 成本高
低内阻 可用于许多场合 能量密度高于 N iCd 价格高
银电池
否
130
1. 6 Coin
180
10
锌空电池
否
310
1. 4
能密高, 尺寸受限
3 国外移动式服务机器人发展现状
目前在欧美、日本等西方发达国家, 移动式服 务机器人已广泛应用于五大领域: 医疗福利服务、 商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务和家 庭服务。
图 1 Cye 家庭服务机器人 图 2 RoboScrub 清扫机器人
图 3 R oboKent 吸尘机器人
另 外, Denning 公 司 还 设 计了 保 安 机 器 人 Denning Sent ry, HelpM at e 公司设计了医用物品 运输机器人 HelpM at e, 分别如图 4、图 5 所示。日 本 Honda 公司设计了仿人机器人 P 2 和 P3, 如图 6 所示。图 7 为用于飞机清洗的清洗服务机器人, 图 8 为在加油站为汽车自动加油的加油机器人。
移动机器人的路径规划就是给定机器人及其 工作环境信息, 按照某种优化指标, 在起始点和目 标点间规划出一条与环境障碍无碰的路径。机器 人路径规划的研究始于 20 世纪 70 年代, 目前对 这一问题的研究仍十分活跃, 许多学者做了大量 的工作。其主要研究内容按机器人工作环境不同 可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不 确定环境, 按机器人获取环境信息的方式不同可 分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规 划。
Keywords : m obile robot s s ervice robot s sensin g t echn iqu e int elligent cont rol
1 引言
在工业机器人问世 30 多年后的今天, 机器人已 被人们看作是一种生产工具。在制造、装配及服务行 业, 机器人的应用取得了明显的进步。由于传感器、 控制、驱动及材料等领域的技术进步, 通过智能机器 人系统, 首次在制造领域以外的服务行业, 开辟了机 器人应用的新领域, 让机器人作为“人的助手”, 使人 们的生活质量得以提高。目前在许多领域已经进行 了很大的努力来开发服务机器人系统, 并力争在较 大范围内使用它们。这些机器人系统尽管有不同的 应用领域, 但它们所从事的工作仅限于维护保养、修 理、运输、清洗、保安、救援及数据采集等方面。在服 务行业中使用的机器人, 要求所提供的服务技术含 量高, 工作安全可靠, 还要求它的市场潜力大, 对用 户有使用价值, 对经营者有经济效益。与普通工业机 器人不同, 服务机器人是一种适用于具体的方式、环 境及任务过程的机器人系统, 其活动空间大, 因此往 往是移动机器人。
驱动方式, 环境信息的获取采用地图输入方式, 可 跟踪声音信号, 任务完成后能自动返回总站待命。 图 2 为 美国 Denning 公司与 Windso r 工业 公司 90 年 代 初合 作 生产 的 地 面吸 尘 机 器人 RoboScrub, 它采用超声传感检测障碍, 并配有高精度 激光导航系统。RoboScrub 的导航系统需要光码 条来实现机器人定位, 限制了其应用范围。Kent 公司设计了另 外一种清扫机器人 Ro bo Kent , 如 图 3 所示, 它不需要导引条码或定位路标, 但需要 操作者辅助其完成对清扫区域周边的探测, 因而 其清扫区域限于简单的矩形区域。
机器人路径规划的方法主要有: C-空间法、人 工势场法、可视图法、单元分解法和分解法等。这 些方法各有所长, 但离完全实用化还有一段距离, 需多方面技术的提高和改进。 2. 4 电源技术
移动电源的地位在移动式服务机器人中历来 十分重要, 可以说是它的生命源。移动电源需要同 时满足机器人的多种能源需要, 如为移动机构提 供动力、为控制电路提供稳定的电压和为服务执 行模块提供能源等。在移动式服务机器人领域, 一 般采用化学电池作为移动电源。理想的电池应该 具有十分高的能量密度、能够在放电过程中保持 恒定的电压、内阻小以便具有快速放电能力、能够 耐高温、可充电以及成本低等。但实际上没有一种 电池可同时具备上述优点, 这就要求设计人员根 据实际任务的需要, 选择一种合适的电池。表 3 简
导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。在国 内, 上海大学研制出导购机器人, 哈尔滨工业大学 研制出导游机器人和清扫机器人等。从广义上讲, 移动机器人也包括空间机器人( 如美国的火星探 路者) 和水下机器人( 如我 国研制的海下 6000m 探测机器人) , 它对机器人的控制技术、传感技术 和材料等方面提出了更高的要求。
电气传动 2000 年 第 4 期
移动式服务机器人的发展现状及我们的研究
哈尔滨工业大学 王炎 周大威
摘要: 本文介绍了近年来在 国外迅速发展的移动式服务机器人的发展 现状及其关键技术, 同时介绍了作者 所在单位在该领域的研究工作。
关键词: 移动机器人 服务机器人 传感技术 智能控制
Development of Mobile Service Robots and Our Research Work
典型容量
( mAh)
AA
1 400
C
4 500
D
10 000
1 200～120 000
A 3. 0 C
D
1 800 5 000 14 000
1. 35 Coin
190
Leabharlann BaiduAA 1. 2 C
500 1 800
D
4 000
1. 3
AA 4/ 3A
1 100 2 300
内阻 (8) 0. 1 C- 0. 006 0. 3 10 0. 009
移动机器人狭义上 指的是地面可移动 机器 人, 主要包括军事领域和民用服务领域机器人两 种。军事智能机器人包括侦察机器人、爆炸物处理 机器人和步兵支 援机器人等, 种类繁多、功能强 大、用途广泛, 发展潜力巨大。在民用移动服务机 器人方面, 日本和美国处于遥遥领先的地位。机器 人被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导游、
术是: 传感技术、智能控制技术、路径规划技术、电 源技术等。
2. 1 传感技术 为了让机器人正常工作, 必须对机器人的位
置、姿态、速度和系统内部状态等进行监控, 还要 感知机器人所处的工作环境的静态和动态信息, 使得机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地
适应工作环境的变化。有效地获取内部和外部信 息, 对移动式服务机器人的正常工作、提高工作效 率、节省能源和防止意外事故都是非常重要的。
表 1 内部传感器
传 感 器
种 类
特定位置角度传感器 微型开关、光电开关
任意位置角度传感器 速度角速度传感器
电位器、旋转变压器、码盘、关节角 传感器 测速发电机、码盘
加速度传感器
应变片式、伺服式、压电式、电动式
倾斜角传感器
液体式、垂直振子式
方位角传感器
陀螺仪、地磁传感器
表 2 外部传感器
功 能
传感器
5
电气传动 2000 年 第 4 期 图 4 Robos ent ry 保安机器人 图 5 HelpM at e 护理机器人
目—— 高楼壁面清洗爬壁机器人和玻璃幕墙壁面 清洗爬壁机器人的研究工作, 成功地完成了样机 的研制工作。另外, 还与香港中文大学合作研制了 全方位移动地面清扫机器人。目前, 正努力实现科 研成果的产业化工作。下面分别介绍一下壁面清 洗爬壁机器人和地面清扫机器人。 4. 1 壁面清洗爬壁机器人
组合型、单元型
接近觉传感器 接近觉传感器
距离传感器
倾斜角传感器
空气式、磁场式、电场式、光学 式、声波式
光学式 ( 反射光量、定时、相位 信息) 声波式 ( 反射 音量、传输 时间 信息)
旋转式、振子式、摆动式
平衡觉传感器 方向传感器
万向节式、内球面转动式
姿态传感器
机械陀螺仪、光学陀螺仪
4
目前已开发出各种各样的传感器, 可分为内 部传感器和外部传感器两大类。内部传感器用于 监测和控制机器人自身, 外部传感器安装在机器 人上, 用于感知外部环境信息。具体如表 1、表 2 所示。 2. 2 机器人智能控制技术
Wang Yan Zhou Daw ei
Abstract: In t his paper, t he development of mobile service robot s in f or eign count ries is int roduced, and several k ey t echn iques of mobile s ervice robot s ar e in clud ed. A l so, t he paper int roduces our recent research w ork in t he area.
种 类
测量传感器 视觉传感器
识别传感器
光学 式( 点 状、线 状、圆 形、螺 旋形等)
光学式、声学式
接触式传感器 单点式、分布式
触觉传感器 压觉传感器
单点式、高密度集成式、分布式
滑觉传感器
点接触式、线接触式、面接触式
力觉传感器
力传感器 力矩传感器
力和力矩传感器
电阻应变片式、压电式、电容式、 电感式及各种外力传感器
图 8 德国的加油机器人
4 我们的研究工作
我们于 90 年代开始致力于服务机器人的研 究工作, 先后承担了国家 863 高科技计划资助项
智能控制是具有智能信息处理、智能反馈和 智能控制决策的控制方式, 是控制理论发展的高 级阶段, 主要用来解决那些用传统方法难以解决 的复杂系统的控制问题, 智能控制研究对象的主 要特点是具有不确定的数学模型、高度的非线性 和复杂的任务要求。现在实用的控制方法有: 多级 递阶智能控制、基于知识的智能控制、模糊控制、 神经控制、基于规则的仿人智能控制、基于模式识 别的智能控制和混沌控制等。而目前在移动式服 务机器人控制中应用最多的智能控制方法是模糊 控制和神经网络控制。 2. 3 移动机器人路径规划技术
在 863 国家高技术计划及省科委的支持下, 哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功壁面清洗 爬壁机器人, 主要用于瓷砖壁面及玻璃壁面的清 洗作业, 图 9 和图 10 分别是机器人在进行清洗大 楼的瓷砖壁面和玻璃壁面。
图 6 P2、P3 仿人机器人
图 9 用于瓷砖壁面清洗的爬壁机器人
图 7 用于飞机清洗的“清洗巨人”机器人
下面就移动式服务机器人的关键技术、国内外 发展现状和我们的研究工作等方面分别予以介绍。
2 移动式服务机器人的关键技术
一个理想化完善的移动式服务机器人系统通 常由 3 个部分组成: 移动机构、感知系统和控制系 统。移动机构是服务机器人的本体, 决定机器人的 运动空间, 有步行机构、轮式机构、履带式机构和 混合机构等几种。感知系统一般采用 CCD 摄像 机、激光测距仪、超声测距仪、接触和接近传感器、 红外线传感器和雷达定位传感器等。随着计算机 技术、人工智能技术和传感技术的迅速发展, 移动 式服务机器人控制系统的研究具备了坚实的技术 基础和良好的发展前景。服务机器人的控制与工 作环境的有关信息往往是多义的、不完全的或不 准确的, 还可能随着时间而改变。因此在部分已知 或未知的环境中同时又要求自主执行任务时, 应 以最大的人员安全性及功能可靠性为条件, 用传 感器探测环境、分析信号, 以及通过适当的建模方
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电气传动 2000 年 第 4 期
式来理解环境, 具有特别重要的意义。近年来对智 能机器人的研究表明, 对于工作在复杂或非结构 化环境中的自主式移动机器人, 要进一步提高其 自主程度, 主要依靠模式识别及障碍物识别, 实时 数据传输及适当的人工智能方法, 还要进一步开 发全局模型, 从而为机器人获取全局信息。目前发 展较快、对服务机器人的发展影响较大的关键技
电气传动 2000 年 第 4 期
单介绍了各种化学电池的性能和特点。
表 3 各种可作为机器人移动电源的化学电池
化学电池 名称
碱性电池 铅酸电池 锂电池 水银电池
N iCd
N iM H
能否充电 否 能 否 否 能 能
能量密度 ( Wh / kg)
130 40 300 120 38
57
单元电压 1. 5 2. 0
说 明
一般用作主电池
有各种大小 高能量密度 成本高
低内阻 可用于许多场合 能量密度高于 N iCd 价格高
银电池
否
130
1. 6 Coin
180
10
锌空电池
否
310
1. 4
能密高, 尺寸受限
3 国外移动式服务机器人发展现状
目前在欧美、日本等西方发达国家, 移动式服 务机器人已广泛应用于五大领域: 医疗福利服务、 商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务和家 庭服务。
图 1 Cye 家庭服务机器人 图 2 RoboScrub 清扫机器人
图 3 R oboKent 吸尘机器人
另 外, Denning 公 司 还 设 计了 保 安 机 器 人 Denning Sent ry, HelpM at e 公司设计了医用物品 运输机器人 HelpM at e, 分别如图 4、图 5 所示。日 本 Honda 公司设计了仿人机器人 P 2 和 P3, 如图 6 所示。图 7 为用于飞机清洗的清洗服务机器人, 图 8 为在加油站为汽车自动加油的加油机器人。
移动机器人的路径规划就是给定机器人及其 工作环境信息, 按照某种优化指标, 在起始点和目 标点间规划出一条与环境障碍无碰的路径。机器 人路径规划的研究始于 20 世纪 70 年代, 目前对 这一问题的研究仍十分活跃, 许多学者做了大量 的工作。其主要研究内容按机器人工作环境不同 可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不 确定环境, 按机器人获取环境信息的方式不同可 分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规 划。
Keywords : m obile robot s s ervice robot s sensin g t echn iqu e int elligent cont rol
1 引言
在工业机器人问世 30 多年后的今天, 机器人已 被人们看作是一种生产工具。在制造、装配及服务行 业, 机器人的应用取得了明显的进步。由于传感器、 控制、驱动及材料等领域的技术进步, 通过智能机器 人系统, 首次在制造领域以外的服务行业, 开辟了机 器人应用的新领域, 让机器人作为“人的助手”, 使人 们的生活质量得以提高。目前在许多领域已经进行 了很大的努力来开发服务机器人系统, 并力争在较 大范围内使用它们。这些机器人系统尽管有不同的 应用领域, 但它们所从事的工作仅限于维护保养、修 理、运输、清洗、保安、救援及数据采集等方面。在服 务行业中使用的机器人, 要求所提供的服务技术含 量高, 工作安全可靠, 还要求它的市场潜力大, 对用 户有使用价值, 对经营者有经济效益。与普通工业机 器人不同, 服务机器人是一种适用于具体的方式、环 境及任务过程的机器人系统, 其活动空间大, 因此往 往是移动机器人。