毕业论文家庭清洁机器人设计.docx

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毕业论文家庭清洁机器人设计

1前言

1.1课题设计背景和题目要求

近年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。

其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。

服务机器人的出现主要有三大原因：

一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾病人等；三是人口的老龄和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。

服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征就是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，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机器人大多数是移动机器人。

自动进行房间地面清洁的自主吸尘式家庭服务机器人，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。

自主吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于20世纪

80年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。

吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展本次设计的题目<<家庭清洁机器人>>就是在这种背景下提出的,其具体设计要求如下：

设计家庭清洁机器人的工作内容和要求：

运行机构形式：

轮式最高行进速度：

0.5m/s转弯半径：

0高度：

<100mm宽度：

<400mm清洁方式：

吸尘、刷扫一次充电连续工作时间：

0.5小时警示方式：

LED闪光

具有自动路径规划、避障功能

具有自动充电装置。

1.2国内外相关产品研究

地面清洁机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于世纪80年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。

吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。

现结合国内外的文献将清扫机器人及其自动充电技术的发展现状阐述如下。

1.2.1国外产品研究状况

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了比较广泛的应用，但是对于家庭机器人我们所了解的却相当的少，而日本，欧美等国家的

研究则比较领先，有的都已经投入市场，在实际中投入使用。

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，如图1-1所示，它有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。

内置了四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。

内置光敏传感器，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信号来指引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。

如图1-1所示。

图1-1智能机器人RC3000

Fig1-1IntelligentRobotRC3000

在日本，东日本铁路公司、Shink电器公司和Howa工业有限公司联合研制了车站地面清扫机器人，机器人可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋

转的刷子将废弃物扫人自带容器中。

该机器人可采用“磁导引方式、”“示教方式”

或“墙面复制方式”控制东日本路公司、富士工业有限公司Subaru实验室和JR东方设施管理有限公司联合研制了车站地面擦洗机器人，该机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸人所带的容器

中。

机器人中的感知系统采用光纤陀螺和超声波传感器，自动清洗系统有两种，一种是“面积设定模式”即将待清洗的面积分为若干个单位面积，按照其存储器中的单位面积识别其行使路线，机器人还可利用其传感器识别和躲避障碍物；另

一种叫“路径地图模式”机器人按照内装的路径地图行使，机器人可存9幅地图，并可利用IC卡作为外存，在该模式下，机器人不会避障，仅适用于需要反复擦

洗的指定地段。

东日本铁路公司和东芝公司联合研制的用于座椅布局简单的列车内部地面清洗的机器人，其体积小、重量轻、易于出人车厢及在车厢之间运动，感知系统采用超声波距离传感器和光学、接触式的接近传感器；机器人采用推算定位法，利用编码器中的数据，保持自己的位置和路径，若探测到错误位置，机器人会通

过距离传感器自动修正；高级的列车地面清洗包括扫除垃圾、喷洒清洗液、擦洗、回收污水、用清水冲洗和给地面打蜡六个步骤。

日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动清扫机器人，可用于各种工厂的清扫工作，机器人采用光纤陀螺控制机器人的方向，采用编码器和超声波传感器测距，采用光学探测器探测障碍物，机器人的四周装有橡胶垫，橡胶垫内部装有触觉传感器，一旦机器人与人接触，触觉传感器信号会使机器人停下来以保证人的安全。

松下和日立公司也研制出了

可清扫砖地木质地板和地毯地面的清洁机器人，该机器人采用蓄电池作为动力源，可自动去充电站充电，能够自主避障和路径规划。

松下电器产业公司在2002年上半年推出了家庭用清洁机器人的试制机。

该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫，还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的安全功能；该机器人配备有50个传感器可一边自动

行走一边进行清扫，工作时首先沿房间四周走一圈，记忆房间形状，然后在避开

障碍物的同时开始纵横来回移动，清洁工作完成后会自动停止。

该机器人清扫一般的日本式房间约需要9min,相当于人打扫同样大房间所需时间的1-1.5倍，可清扫房间地板的92%-93%;机器人利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍物，机器人的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的行进方向，但在地毯上行走时如果不采取措施则会受到“地毯花纹”影响而弯曲前进,

因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器，可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差，因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进，机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器，机器人同普通的障碍物最少保持10cm的距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保持50cm的距离。

20世纪90年代，美国就推出了地面清洁机器人RoboScrub,该机器人配有激光导航系统，采用超声波测距和避障，用光码条实现定位。

2002年9月清洁机器人"Roomba”在美国面市，它重约2kg，直径为30英寸，具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作，据说这是将用于军事的“躲避地雷的移动技术”应用到了吸尘器上。

Roomba的动作有点儿迟缓，但它却能稳定、安全地完成任务。

由于能够在完成任务后自动切断电源，所以可以在外出期间让Roomba在家进行清扫。

如图1-2所示。

图1-2智能清洁机器人Roomba

Fig1-2IntelligentCleaningRobotRoomba

2002年10月1日，瑞典的拉克斯电子公司与日本东芝公司共同开发的清洁机器人“特里洛巴伊特”上市销售，“特里洛巴伊特”主要由清扫机器和超声波传感器构成，在工作时可避开室内摆放的各种家具用品。

只要家庭主妇领着它搞过一

次清扫后，它便可以按行走过的清扫线路进行自动清扫。

这种机器人是充电式的，每一次充电可连续工作1小时。

瑞典家电制造商伊莱克斯（Electolux）研制生产的清洁机器人小“三叶虫”高13mm，直径35mm，表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。

一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。

在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫”便不会跨越。

小“三叶虫”开始启动后，体内的搜索雷达会探测出距离最近的墙壁，先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽。

这样它便能探测出整个房间的格局，计算出清扫整个房间所需的时间。

只要一接近一件障碍物，它便会

重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。

电线或地毯的边缘不会被认作是

图1-3三叶虫

Fig1-3TRILOBITE

障碍物。

小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可以越过电线或地毯边缘，不被绊住。

电源不足时，小“三叶虫”会自动回到充电卡座自行充电。

女口果此时房间还没有清扫完毕，小“三叶虫”还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘，如图1-3所示。

英国、法国和澳大利亚也都推出过清洁机器人产品。

英国Dyson公司最近推出一种型号为DC06的智能吸尘器。

这是世界首次开发研制的全自动吸尘机器人”。

这种机器人具有一定的人工智能，只需轻按开关它就会为你解除每天打扫房间的烦恼。

如图1-4所示，吸尘机器人形状呈50厘

米长的模型汽车状，重9.2公斤左右，配置了70多个传感器,可随时将发现的情况告诉由3台内置电脑组成的"大脑"。

"大脑"每秒可发出16条命令来指挥吸尘器的工作。

充电后一按开关，机器人会在瞬间通过所搭载的三台小型计算机和70个传感

器计算出自己所在位置、房间大小及脏乱程度、家具的配置等。

要是小孩或狗等

外来物体接近吸尘器，它就会自动停止工作。

接近楼梯口时，吸尘器会自动采取保护措施,以防止滚到楼下。

使用时，只要打开电源、选好速度、按下"走"键,吸尘器就会自动工作，其它程序都由它自己独立完成。

不过该产品目前价格太高（4000美元左右一台）,要真正推向市场还有相当的难度，如图1-4所示。

图1-4智能机器人DC06

Fig1-4IntelligentRobotDC06

澳大利亚的FloorBotics公司最近也研制出可自动行驶并打扫房间的V4型

机器人,如图1-5所示。

这种全自动吸尘器表面光滑，体积很小，呈圆形，内置搜索雷达，可以搜索各种房间里的每一处，不会碰撞家具或其它障碍物。

微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的能力。

只要一放在地面上，全

自动吸尘器便可自动开始工作。

其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁，先顺着墙

壁把地板四周的灰尘及异物吸尽；然后再不规则地来回于房间的其它位置，并且能在接近障碍物之前迅速转向。

该吸尘机器人由于在主机的周围360度配备了障碍

物传感器，因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面。

当打扫完可以行驶的场所后,机器人就自动关闭电源。

在经过4个小时充电后可以连续工作1个小时以上，通过更换配件还可以打扫地毯等。

如果打扫没有障碍物的地面时,1个小时

可以打扫360平方米。

不管房间的外形及面积的大小,ARNA导航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作。

因为机器人导航沿房

间的周围，所以它要创建自己的空间参考图，机器人不需要任何编程"教它应该去哪里”该机器人操作简单，仅有三个按钮：

开始，结束以及暂停。

人们只要简单地将它放置在需要清扫的区域或房间中（这个机器人吸尘器很轻，一只手就可以容易拿起它）,按下开始按钮即可，如图1-5所示。

图1-5V4智能吸尘机器人

Fig1-5V4Intelligentcleaningrobot

2003年11月，三星公司推出一款代号为VC-RP30W的机器人吸尘器，如图1-6所示。

VC-RP30W主要依靠3D地图技术来进行定位，并能灵巧地躲避障碍物，能够快速、高效地对房间每个角落进行吸尘。

当遇到障碍物或者死角等情况，VC-RP30W会自动转向继续工作。

其强大的智能判断系统使得VC-RP30W能轻

易地分辨出垃圾与其他日常生活用品，机器人也允许用户定义它的工作时间及清

图1-6三星机器人VC-RP30W

Fig1-6RobotSamsungVC-RP30W

扫区域等，从而实现主人不在家时机器人也能进行自动清扫。

事实上，用户除了可以对它本身进行设置以外，还能通过计算机查看安装在机器人前部的摄像头进

行远程遥控。

整个器人的电池能维持它连续工作50分钟，而一旦电池处于即将耗尽的状态时它自动回到充电座补充能源，非常地智能化。

它回充电站使用的是已经生成的3D地图，而不是像RC3000那样使用红外的导航信号。

1.2.2国内产品研究状况

在国内的一些大学，如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果，对清洁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，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。

哈尔滨工业大学于90年代开始致力于这方面的研究，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。

该机器人具有如下特点：

采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机器人

铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。

浙江大学于1999年初在浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。

这种智能

吸尘机器人工作时，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，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，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，

自行回到充电座补充电力。

吸尘机器人在5.585m2的实际家庭环境中，工作10分钟可以达到90%以上的覆盖率。

更大房间的清扫试验还没有进行。

目前，系统正在引入机器视觉和全局

图1-7国内公司生产的机器人KV8

Fig1-7robotsdomesticproductionKV8

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。

如图1-7所示。

KV8保洁机器人是今年在市场以低价位卖得比较火的一款产品，也是国内首个产品化清扫机器人。

它广泛用于家庭、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，需要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐声。

1.2.3自主充电技术发展现状

在20世纪40年代末，GreyWalter开发第一个自主充电的移动机器人名为：

“Tortoises这种机器人具有在神经学研究中向着光线走的行为。

Walter还发明

了一个可以充电的小橱，橱中有能够发射光束的装置和充电器，并把它当作充电

站。

通过光线束的引导，机器人来到橱前通过接触从而进行自主充电。

这个系统

有如下的特征：

（1）机器人的感知行为：

感光；

（2）充电站能够发出机器人可以感知的光束；

（3）能够对电池和充电器进行具有一定准确性地对接。

1998年，Tsukuba大学成功开发出了一款可以自动充电的名为Yamabico-Liv的导游机器人。

通过使用导航系统，该机器人能够利用地图自主导航绕越实验室的环境到达充电站，通过充电站上一些特殊的装置的作用，实现自主充电。

最近，位于美国的卡内基梅隆大学的机器人研究中心也开发出了一种叫做Sage的导游机器人，它是从卡内基梅隆历史博物馆所使用的导游机器人Nomad

XR4000改进而来。

机器人Sage通过其所携带的CCD摄像头对标识环境的三维路标等进行识别和处理，从而自主地寻找充电站实现自动充电。

路标被直接放于

充电站的插座的正上方，通过它的引导，实现机器人可靠地停靠在预设的充电位置处，从而实现充电，在插座和插孔中间没有别的东西。

在174天的操作运行中，这个机器人成功地实现135天无故障地运转。

与此同时，大约每九天就偶尔会要人为地进行一些精度校正。

1.3研究的目的和意义

吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现室内环境

（地面）的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到

国内外的研究人员重视。

作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智能化自主式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的

代表性。

从市场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。

因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。

融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便宜，全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫机器人。

使

它可以替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好

地为人类服务。

1.4设计的重点和难点

由前面的设计家庭清洁机器人的工作内容和要求，在宽400高100的体积下如何设计和布置好清扫机构，行走机构，吸尘机构和储存垃圾机构是本次设计的重点，机器人中的关键部分清扫机构的设计也是本次设计中的难点所在。

因为还

要求所设计的机器人具有避障功能，所以其外形设计也应该仔细考虑。

清扫后的垃圾如何处理，以及如何布置吸尘设备也是本次设计中需要仔细考虑的问题。

2.家庭清洁机器人的关键技术

家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成：

移动机

构、感知系统、控制系统和吸尘系统。

移动机构是吸尘机器人的主体，决定了吸

尘器的运动空间，一般采用轮式机构。

感知系统一般采用超声波测距仪、接触和接近觉传感器、红外线传感器和CCD摄像机等。

随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展，吸尘机器人控制系统的研

究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。

吸尘机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的，因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。

用传感器探测环境、分析信号，以及通过适当的建模方法来理解环境，具有特别重要的意义。

近年来对智能机器人的研究表明，对于工作在复杂非结构环境中的自主式移动机器人,要进一步提高其自动化程度，主要依靠模式识别及障碍物识别、实时数据传输及适当人工智能方法，还需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、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：

传感技术、

智能控制技术、路径规划技术、吸尘技术、电源技术等。

2.1传感技术

为了让吸尘机器人正常工作，必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控，还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息，使得吸尘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。

通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。

其中内部传感器有：

编码

器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。

其中编码器用于确定当前机器人的位置,线加速度计获取线加速度信息，进而得到线加速度和位置信息；陀螺仪测量移动机器人的角度、角速度、角加速度以得到机器人的姿态角、运动方向和转动时运动方向的改变等绝对航向信息。

外部传感器有：

视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器。

视觉传感器采用CCD摄像机进行机器人的视觉导航与定位、目标识别和地图构造等；超声波传感器测量机器人工作环境中障碍物的距离信息和地图构造等。

红外线传感器大多采用红外接近开关来探测机器人工作环境中的障碍物以避免碰撞。

接触和接近觉传感器多用于避碰规划。

2.2路径规划技术

吸尘机器人的路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息，按照某种

优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径，并且实现所需

清扫区域的合理完全路径覆盖。

机器人路径规划研究开始于20世纪70年代，目

前对这一问题研究仍旧十分活跃。

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以分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。

对运动规划问题，目前有具体的解析算法。

但由于解析算法牵涉到复杂的椭圆积分问题，实现起来依然具有相当的难度。

根据机器人对环境信息知道的程度不同，可以分为两种类型：

环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知，通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。

全局路径规划包括环境建模和路径搜索策略两个子问题。

其中环境建模的主要方法有：

可视图法（V-Graph）、自由空间法

（FreeSpaceApproach和栅格法（Grids）等。

2.3吸尘技术

真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流，将

尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。

吸尘系统包括滤尘器、集尘袋、排

气管以及其他一些附件。

其吸尘能力取决于风机转速的大小。