家用服务机器人设计绪论

1绪论

1.1概述

根据国际机器人联合会给服务机器人的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能够完成有意与人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备，服务机器人与人类工作在同一的工作空间内，具有人机接口和部分非结构化环境的高度自主能力。

对于已经相当成熟的工业机器人来说，服务机器人是近年来的机器人学研究应用的一个新领域，仅仅从字面上了理解的话，各种可以直接或间接能够为人类服务的机器人都属于服务机器人的范畴。与工业机器人注重精密、快速和高效相比，服务机器人则更重视安全可靠和方便。这是因为服务机器人更加贴近人类的日常生活，在许多场合其使用者是未受过专门教育和培训的普通人，只有满足安全可靠和使用方便的基本条件的服务机器人才能够被社会所认可，并走进我们的生活。

人们在日常生活中，为了保持房屋的清洁，需要经常进行房屋的打扫。学生生活的教室不但面积大而且呈阶梯型向上传统吸尘器很难满足教室的清扫，现在的吸尘装置由于体积较大、动作不够灵敏，很难有效地发挥吸尘作用，给学生的生活带来困扰。当然在家里大屋子清扫也很麻烦。于是，一种小型的、动作敏捷、能够很好的完成大面积清洁工作的吸尘装置是人们生活迫切需求的。

针对市场的需求，我们开发设计了自主吸尘式家庭服务机器人。它将移动机器人技术和吸尘器技术有机地结合起来，能够很好的实现自动测距、避障和自主吸尘等功能，从而实现了大面积房屋的清扫。

从技术方面讲，它能比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，做到了机、电很好的融合，具有较强的代表性。从市场角度讲，它将给我们日常家庭中清洁工作带来极大地便利，大大降低人工劳动强度，提高劳动效率，提高生活质量。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

中国机器人的研究起步于20世纪70年代初期，经历了70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代以后的实用期。但在家庭服务机器人方面到现在才刚刚起步。

“七·五”科技攻关计划中将工业机器人列入了发展计划，与当时的机械工业部牵头组织了点焊、弧焊、搬运等型号的工业机器人公关，形成了中国工业机器人第一次高潮。目前中国已经能生产具有国际先进水的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人。弧焊机器人、点焊机器人、搬运码垛机器人和AGV自动导引车等一系列产品，其中一些品种实现了小批量生产。中国的工业机器人绝大多数为进口，国产工业机器人还无法进行规模生产，在智能机器人领域，中国科研团队在一些比赛中亮相，并获得了一些成绩和好评，但综合实力仍远不如发达国家。

在国内一些大学，如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等代表也对智能清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果，对服务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，这些都为服务机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。

浙江大学于1999年初在其机械电子研究所开始进行对智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个左右初步智能的自主吸尘机器人，这种智能洗尘机器人工作时，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，在请接着角落的同时火的房间尺寸信息，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进行充电。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。更大房间的清扫实验还没有进行。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。

Kv8保洁机器人在市场上是以低价位卖的比较好的一款产品，也是国内首个形成产品化的服务机器人。它广泛适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，需要人工更换电池或者充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴随音乐声。

目前，服务机器人的研究的技术现状，服务机器人系统一般分为四个部分，移动控制系统、感知系统、吸尘系统。随着计算机技术、传感器技术、以及移动机器人技术的发展，为服务机器人的研究和开发打下了坚实的基础。

1.2.2国外研究现状

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比较广泛的应用，但是对于家庭服务机器人我们所了解的却相当的少而且日本欧洲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，东京本铁路公司、Shink电器公司和Howa工业有限公司连个开发了车站地面清洁机器人，机器人可以沿着墙壁在任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫进自带的容器内。该机器人使用了“磁导引方式”、“示教方式”或“墙面复制方式”控制。

在2002年松下电器产业公司上半年推出了家庭使用清洁机器人的试用机器人。该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动的清扫，还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的安全功能。

Rc3000是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人它有光电传感和芯片控制，当遇到装碍时，会随机改变一个角度，然后继续走，直到遇到新的障碍物。其内置了四种清洁程序，保证在遇到不同污染的地面时，可以调整期清洁程序，通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序，内置光面传感器确保在遇到楼梯与台阶时能够自动避让不会掉落。扁平的设计使其能够清洁床、沙发、茶几等家具的下部位置，其相应的充电站有红外发射工作时间设定、工作模式选择。充电垃圾处理五个功能。充电站一直发射红外定位和导航来指导机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务，同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。

1.3本课题来源及意义

服务机器人能实现家庭、学校及宾馆等是被环境的半自动或全自动清洁，能使人类解脱繁琐的劳动，所以具有广泛的市场前景，近年来已受到国内外的格外重视，成为家用机器人的一个新研究方向。据统计，2001年全世界销售的家用服务机器人为2万1千多台，在2002至2005年期间，家用服务机器人销售可望超过70万，其中清洁机器人占到很大的比例，一个大的市场和产业在逐步形成。服务清洁机器人作为服务机器人领域中的一个新产品，只要生产成本兼顾到日用电器批量大、价格低的特点，使越来越多的家庭能够负担的起，则将更具有诱人的市场前景。

虽然已有部分的清洁机器人进入市场，但功能存在缺陷，加上昂贵的开发成本使之还不能真正走入寻常百姓家。因此，开发出一种高性能、低成本的家用服务机器人，不但是人们生活水平不断提高的迫切需求，也是家用服务机器人技术发展的需要。

1.4本课题的主要任务

家用服务机器人与以往的传统家庭吸尘器的根本区别就在于实现完全的无人条件下的自主清扫工作。因此研究的难点首先在于传感器应用以及基于有限的传感信息给环境建立模型，其次便是在此基础上对整个清扫机器人系统如何进行控制，通过采用什么样的算法和策略，来体现机器人智能化。

本课题基于机械结构的基础，重点研究清扫机器人的控制系统的设计。本论文的主要内容包括以下几个方面：

（1）分析总结了服务机器人及其控制技术的现状，并提出了它的研究意义。

（2）研究服务机器人的体系结构，并针对机器人的非完整性约束特点，进行了基于运动学的数学建模，深入分析了机器人在行走时其输入控制

变量与位姿的关系。

研究设计了服务机器人的控制系统硬件和软件。