（精密仪器及机械专业论文）全自主家用清洁机器人结构设计与路径规划(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中国科学技术大学硕士论文 摘要 家用清洁机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向。虽然已有很多 样机和产品产生，但它们仍有很多的问题需解决：如动态环境中的适应性，它的 覆盖率和覆盖效率及其成本等。吸尘器自主地在房间内吸尘而不需主人太多的干 预是一件非常有挑战性的工作，它涉及了当前多项人工智能技术，从理论和技术 上讲，全自主智能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，全自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动 效率，适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和家庭。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。 本文主要设计了一种全自主家用清洁机器人的体系结构，运动分析及路径规 划。其中机械结构设计、路径规划全部由作者独立完成。首先对本课题相关背景 和理论做了近一步的研究，介绍了服务机器人的发展和智能清洁机器人的现状。 然后按照模块化的思想对机器人的整体结构分别做了说明，最后提出了一种在未 知环境下机器人在线路径规划算法，适用于家用清洁机器人对室内地面的智能化 清扫。该算法充分考虑了家用机器人成本低，节能等特点，前期以”迂回推进” 的方式，进行2 次方向不同的清扫。根据结果得出障碍物和环境信息，再利用边 缘跟踪对障碍物及整个环境边缘进行清扫，同时对所得信息进行校正，最终实现 全区域的覆盖。整个过程路径段简单，能源利用率高。通过课题的研究，形成了 一套完整而实用的设计方法，为进行同类研究提供了理论依据。 i i i 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t f u l la u t o n o m o u sc l e a n e rish o ti nt h ef i e l do fm o b i l er o b o t t h o u g h m a n yp r o t o t y p e sa n dp r o d u c t sh a v eb e e nm a n u f a c t u r e d ，t h e ys t i l1h a v em a n y p r o b l e m st ob es o l v e d ，s u c ha sa d a p t a b i l i t yi nd y n a m i ce n v i r o n m e n t s ， c o v e r a g er a t i o e f f i c i e n c ya n di t sc o s t t oc l e a ni nar o o mw i t h o u th e l p o ft h eh o s t s ，i ti sac h a l l e n g i n gt a s kf o ra u t o n o m o u sc l e a n e rb e c a u s ei t i n v o l y e sm a n yc u r r e n ta it e c h n o l o g i e s i nvj e wo ft h e o r ya n dt e c h n o l o g y ， f u l la u t o n o m o u se l e a n e rw a sa p p i e dm a n yk e yt e c h n o l o g yf o rm o b i l er o b o t t h e yc a nr e d u c eb u r d e no fh o u s e w o r ka n di m p r o v ee f f i c i e n c ya n da r ev e r y s u i t a b l ef o ru s i n gi nh o t e l ，h o s p i t a l ，l i b r a r y ，o f f i c ea n dh o m e t h e r e f o r e i t i sac h a l l e n g ei ns c i e n t i f j cr e s e a r c ha n dc o m m e r c e t h ep a p e rs t u d i e san e wt y p em o b il er o b o tm a i n l y ，f u l la u t o n o m o u s e l e a n e rb a s e do ns e n s o r t h ee m p h a s e so ft h i sp a p e ra r et h es t r u c t u r e ， m o t i o na n a l y s isa n dp a t hp 1 a n n i n ga l g o r i t h m a 1 1o ft h a ta r ed o n eb ya u t h o r i n d e p e n d e n t l y a tf i r s t ，t h et h e o r ya n dt h eb a c k g r o u n da b o u tt h i sw o r ka r e i n t r o d u c e d ，t h e np r e s e n t st h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l1i g e n tc 1 e a n e r a t 1 a s t ，ap a t hp l a n n i n ga l g o r i t h misp r e s e n t e df o ru n k n o w ne n v ir o n m e n t t h e c o s ta n de n e r g yh a v ea l r e a d yb e e nc l o s e l yc a l c u l a t e d 。t h er o b o tc l e a n s r o o mt w ot i m e s ：a l o n gxa x i sa n dya x i s ，f r o m w h a tw ec a ng e tt h ei n f o r m a t i o n o fe n v i r o u m e n ta n do b s t r u c t i o n s t h er e s u ltc a nb et e s t e da n dm o d if i e db y b o u n d a r yf o l l o w i n g t h e f e a t u r eo f t h i sm e t h o di s s i m p l e n e s sa n dh i g h e n e r g yp r o f i t a b i l i t y t h r o u g ht h ew o r ka b o v e ，t h ef u l la n dp r a c t i c a l d e s i g na p p r o a c hi sp r o p o s e dt op r o v i d et h et h e o r e t i e a ls u p p o r tf o rs i m i l a r r e s e a r c h e s 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 1 1 服务机器人概述： 自第一台工业机器人问世以来，机器人有着突飞猛进的发展。机器人在工业、 国防和科学技术中日益广泛的应用，带来了巨大的经济和社会效益，也有力地推 动了有关学科和技术领域的发展。服务机器人是一个新的机器人研究领域。作为 正在发展新研究领域，服务机器人有许多不同的定义，但它的最基本特征是提供 服务。和工业机器人一样，服务机器人基本上包括机器人的所有基本特性。它往 往和人结合于同一工作环境中，这隐含着许多工业机器人没有的特性，如安全问 题、人机交互性、在非结构化环境中的高度自治等。目前服务机器人成功应用的 领域有雕刻，消防，清洗，医疗，焊接等等。从长期来看，服务机器人的英勇数 量将会超过工业机器人。 1 1 1 服务机器人的机械结构问题 机械系统是服务机器人系统中的一个重要组成部分，是完成抓取对象实现所 需运动的机械部分。它与一般地机械系统相比，除要求较高的定位精度之外，还 应具有良好的动态相应特性。服务机器人可以是静止或移动的平台。静止平台式 服务机器人通常具有手臂结构它们能用于加油、飞机清洗和辅助残疾人。这种手 臂结构的服务机器人也许会有各种工业机器人的基本特点，也可能会有移动轮但 它们不用于操纵机器人。通常的服务机器人是可移动的，最典型的移动机器人是 轮式结构，当然也可能有其它方式移方式如步行爬行和飞行等，但它们仅仅用于 不适合轮式机器人的环境中。 1 1 2 服务机器人的适用环境 工业机器人所处的环境为制造环境，即所谓的“结构化”环境，其环境信息 往往为己知。服务机器人处于非制造环境，即所谓的“非结构化”环境，其环境 信息往往是多义的、不完全的或不准确的。服务机器人通常在非结构化和比较复 中国科学技术大学硕士论文 杂的环境中运行也就是指办公室、公共大楼、超市和家庭等。人和机器人通常共 处在同一环境中并且环境会出现预料之外的改变，如家具位置的随意摆放、人的 随意走动等因而服务机器人必须能自我管理和处理环境中的一切。机器人设计人 员必须能安全地假设许多环境模型来弥补现存环境感知技术的缺点。 1 1 3 服务机器人的典型任务 服务机器人的最普通的任务是减轻人类的重复或危险的劳动如象运输、救 援、检查、探险等。服务机器人运用于运输，如发送邮件、实验品和药品：运用 于救援，如机器人能实施问题点的勘察，发现入侵者和火灾报警：运用于检查，如 桥梁裂缝检查，核反应堆射线检测和化学泄漏检测。这种类型机器人需考虑它的 机械移动装置、能量存储、导航和避障。服务机器人在完成某项任务，它必须装 备执行机构和控制系统等，设计人员必须考虑机器人怎样探测和操纵目标，怎样 执行和控制系统的交互，需多少能量才能完成任务等，因而机器人很容易变得复 杂，这是这类机器人快速发展的主要原因。 一个特别适宜服务机器人完成的工作是清洁任务，主要包括室内地面的吸 尘、公共建筑物内的清扫和大建筑物外墙的清洗。智能吸尘器需较大的功率考虑 到它能在床和椅子下移动它形状不能太大，合理的路径规划避障和能耗是智能吸 尘器的主要技术问题。 1 1 4 服务机器人的技术问题 服务机器人需完成各种不同的服务工作，如何完成特定的任务往往是服务机 器人的核心技术，也是决定服务机器人市场竞争力的关键。如割草机器人的核心 技术是如何低能耗割草，地面清洗机器人的核心技术可能是发展新清洗技术，使 机器人不必携带巨大的水箱。服务机器人作为机器人技术的一个分支，所有服务 机器人或多或少要涉及以下的人工智能技术： 环境感知技术 环境传感器和信号处理方法 控制系统基于模型基于行为等 交互和合作的控制结构 中国科学技术大学硕士论文 复杂任务的实时规划 仿真技术和环境 人机交互 1 1 5 服务机器人的可靠性和安全性 服务机器人作为机器人新的应用领域，其使用目的是为了改善人们的生活质 量，服务对象大多是没有使用经验和专业知识的人们，而且大多数服务机器人工 作在与人共处的环境中，直接或间接作用于人，如何处理好人与机器人的相互关 系显得尤为重要。同时，服务机器人是一个复杂的机械一机电一电子系统，硬件 上由许多不同的普通元件组成，软件上也不可能十全十美，向传统的机械设备一 样，不可避免的会给人们带来危险，这是用户所不希望的。因此可以说服务机器 人实用化和商品化的关键之在于它的可靠性和安全性 1 1 6 服务机器人的应用 目前，服务机器人越来越受到企业和商业界的重视，这主要是其所具有的广 大市场和巨大利润所致。服务机器人的出现主要由两个原因：一是劳动力成本的 上升：另一个是人们想摆脱令人烦恼枯燥的工作，如清洁、家务劳动、照料病人 和建筑施工等等。另外，福利事业，特别是老年人人数比例的上升也为服务机器 人创造了一个广阔的市场。目前在欧美、日本等西方发达国家，服务机器人己广 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、维修清洁服 务和家庭服务) 。 中国科学挫术大学帧土论文 h 删晾照量 i 铷一敝i 安划嗡 门 i t 、 。_ 、 j 盯 j - ，i“* r - o in i t 毫群 二- * q l _ “i 二 1 馥_ n ：_ 图l l ：月臣务机器人在各个领域的发展 图l l 中展示了近年来服务机器人在各个应用领域的发展情况对比，其中清 洁机器人在2 0 0 1 2 0 0 4 年的数量己经达到了1 4 1 5 0 台。主要应用领域是家用吸尘机 器人、公共建筑地板清洁机人，大型建筑物的擦窗机器人和外墙清洁机器人。本 文主要研究的是吸尘机器人。 1 2 国内外自主吸尘机器人研究现状 自主吸尘机器人式自动进行房间地面清洁的家庭服务机器人，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2 0 世纪5 0 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。 全自主智能吸尘器作为服务机器人的典型，在许多国家已经开始使用，工作 环境主要为普通家庭环境，也可以用于工厂、展览馆、图书馆、车站、机场和办 公室等公共场所。环境的共同特征为有限的封闭空间，平整的地板以及走动的人 员，因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境所以环境适应性为对此类机 器人的基本要求。 自主吸尘机器人的基本任务式清扫地面。地面的材料差异很大，包括硬质地 中国科学技术大学硕士论文 板( 硬木、水泥、大理石等) a n 软质地板( 短毛、中毛、长毛地毯等) 。工作对象为 地面垃圾，包括灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘 机器人的处理对象。考虑到安全因素，吸尘机器人必须对人、宠物、家庭物品等 不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须具备自我保护的能力。 早在2 0 世纪8 0 年代s a n y o 公司就正式开始进行自主吸尘机器人的研发工 作。总的来看，自主吸尘机器人的研究还刚刚起步，在自主能力和工作效率方面 还有待提高。下面对一些主要产品和样机在自主能力、路径规划、环境适应性、 工作效率等方面进行了介绍： 在国外，”t r i l o b i t e ”是瑞典家电厂商e l e c t r o l u x 经历1 2 年之后推出的世界上 第一台具有完全自主能力的吸尘器，”t r i l o b i t e ”启动后，先顺着墙壁罢地板四 周的灰尘及异物吸尽，同时对房间进行学习，计算出清扫整个房间所需的时间： 清扫时，主要采用随机规划模式，使用超声波传感器进行障碍物检测，探测到障 碍物时自动避开并重新选择路线进行清扫。电源不足时，”t r i l o b i t e ”会自动回到 充电座自行充电。如果此时房间还没有清扫完毕，”t r i l o b i t e ”还有记忆功能，充 好电后自己回到原处继续吸尘。用户可以采用磁条来限制“t r i l o b i t e ”的行动范 围，保护吸尘器不会进入危险区域，比如火炉、楼梯等。“t r i l o b i t e ”的使用可以 减轻用户7 5 的地面清扫负担。 ”r o o m b a ”一m i t a il a b 的设计者r o d n e yb r o o k s 博士创立i r o b o t 公司经过 1 2 年研究共制作了3 0 种样机的基础上开发完成的家用机器人。”r o o m b a ”以1 9 9 美元的超低价格给市场以巨大的震撼。”r o o m b a ”提供三种清扫模式：s ( 约3 - 4 m 2 ) 工作2 0 m i n ；m ( 约6 - 7 m 2 ) ：t 作3 0 r a i n ；l ( 约8 m 2 以上) ：工作4 0 r a i n 。设定清扫模 式以后，”r o o m b a ”以螺旋状路线运转，以碰撞方式进行障碍物检测。一旦碰到 障碍物，”r o o m b a ”就沿着障碍物前进，经过定距离以后“r o o m b a ”会转动9 0 度并重复上述过程。如此交替重复，知道清扫结束并自动停止。采用“虚拟墙” 发射红外线来产生一个虚拟的墙壁，可以限制机器人的活动范围。”r o o m b a ”， 具有高度环境适应性，可以游走于家具缝隙问，动作灵活快捷。在除尘结构的设 计上，”r o o m b a ”独具特色。出了真空吸口外，底部的旋转滚刷以及侧面的旋转 毛刷，都可以增强吸尘能力，弥补吸尘功率小的不足 中国科学技术人学硕士论文 图卜2 ：已经商业化的全自主清洁机器人产品 松下电器从1 9 8 5 年开始研究开发自主吸尘机器入，己经投入了2 亿日元的 开发费用( 不包括人工费) ，并于2 0 0 2 年公布了样机，样机配有2 个1 6 位微控制 器。2 个8 位微控制器。拥有5 0 个传感器：避开障碍物的红外线及超声波测距传 感器及感压传感器：控制机器人方向的方向陀螺；防止从台阶等高出滚下的落差传 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：据报道，机器人还具备检测地面清洁程度的能力，可根据实际情况调节吸 尘功率和行进速度。工作时，首先会沿房间四周走圈记忆房间形状。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。据松下公司 称，该吸尘机器人清扫4 席半的日本式房间约需要9 分钟，清扫房间地板的 9 2 9 3 ， 在国内，1 9 9 9 年初，浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器入的 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，和苏州t e k 公司合作研发，到2 0 0 3 年系统在自主能力和工作效率上有了显著提高。首先进 中国科学技术大学硕士论文 行环境学习：利用超声波测距信息，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+ 局部遍历规划的 策略产生高效的清洁路径：清扫结束后，自行回到充电座，补充动力。系统在 5 ，5 x 3 5 m 2 的实际家庭环境中，工作，o m i n 可以达到9 0 以上的覆盖率。更大 房间的清扫试验在结果记录和分析上有困难，还没有数据。目前，系统还在进一 步的升级中。另外，哈尔滨工业大学也进行了自主吸尘机器人的研究并完成了研 发工作，由海尔公司进行产品化工作。 e l e c t r o l u x r o b o t检下新江犬学 “t r t l o “t o ”“r o o m b a ”样机 h s r 2 0 0 0 l债格1 3 0 0 荚元 1 9 9 美元5 0 万捌元 j嚣最 5 k g2 ，7 1 , , g9 。8 k g 4 k g 尺寸( c m ) d 3 5 h 1 3d 3 4 ) ( h 9 2 9 3 7 x 2 6d 3 5 h 9 b 船尖速度0 4 m s 0 3 m s0 3 m s0 3 m s 功警 a p p r o x 9 0 w 3 0 w9 0 w a p p r o x 8 0 w 一 嗡声7 5 d 甘 7 4 9 8 0 ，2 d b 碰掩传蹿器：碰撞竹t 皤嚣：f瞰蔷5 0 多伞特 祭体谨插传感 感知功能 1 8 0 翘删规俦| 哆嚣；街止 砖器船，2 7 0 趣声 蚯t 磁蓐商；f跬嚣；耋1 _ 外爆腹 波瀚距：害r 9 感 澎似爆器防默 应；一f 梭挎! 薛嚣 落；自动嗣蛔充 防跌辫： u 鬣检 咀测t 自动倒妇宠 电 1 9 9 7 年推出佯2 0 0 2 年9 月8 日家琏试蛙，2 华2 0 军完成n 进髌状态 帆；2 0 0 1 埠1 1形成产鼎螽授披u 1 螨 胄错受自t 能力 h 嚣成p 。牖的群帆 图卜3 ：全自主吸尘机器人规格对比 1 3 全自主吸尘器组成结构及其关键技术 全自主吸尘器通常可由5 个主要部分组成：控制器部分、行走驱动部分、传 感器部分、吸尘部分和电源部分。行走驱动部分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。传感器部分一般采用超声波测距仪、接触 和接近传感器、视觉传感器、红外线传感器和c c d 摄像机等。这种吸尘器实际 中国科学技术大学硕士论文 上融合了移动机器人和吸尘器技术，故称为智能吸尘器或吸尘机器人。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己具备了坚实的基础和良好的发展前景。目前发展 较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：传感器技术、环境建模、定位、 路径规划技术。 1 3 1 传感器技术 传感器是机器人的感觉器官，负责采集外界环境和自身状态的信息。根据采 集信息的种类可以分为内传感器和外传感器。内传感器负责采集系统自身状态的 信息，包括编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器负责采集系统外部信息，包 括c c d 视觉传感器、激光雷达、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感 器。超声波、红外和接触传感器，具有价格低廉、工作可靠、速度快的优点，广 泛应用于机器人的局部无碰撞导航。激光雷达是应用较为广泛的一种全局信息获 取手段，可以进行定位和环境建模，但是所提供的信息不全面，并且价格较高， 限制了其应用范围。而c c d 器件可以提供类似人类的视觉信息，随着技术的发 展，其价格越来越低，在车牌识别、人脸识别、无人监控、遥感图像等领域得到 越来越广泛的应用。但是图象处理的数据量大，算法复杂，特征提取和深度信息 回复困难，所以在机器人视觉方面的应用还是有限的。随着集成电路的发展和计 算机视觉的深入研究，c c d 视觉传感器必将成为机器人环境感知的主要来源， 同时促使机器人智能产生飞跃。 1 3 2 环境建模 环境建模是移动机器人一个基础而重要的课题。环境建模是在传感器信息的 基础上，对工作环境进行二维或者三维重建。自主吸尘机器人的工作环境为三维 环境，但是它总是约束在地面并且高度有限，因此可以强环境地图简化为二维模 型。地图的形式主要由三种：几何信息表示法，拓扑图表示法和结合几何信息和 拓扑结构的复合方法。几何法可以精确描述环境，但是随着分辨率的提高和环境 面积的增大，数据量迅速增大，很难满足实时性的要求；拓扑地图具有抽象性的 特点，所以对环境变化和传感器噪声不敏感，并且存储小，但是分辨率较低，所 中国科学技术大学硕士论文 以目前研究者重点放在结合几何信息和拓扑结构的复合方法上。 1 3 3 定位 定位是指机器人对自身位置的估计，包括位置( x ，y ) 和方向的估计。移动机器 人的准确定位是保证其正确完成导航、控制任务的关键之一。目前移动机器人常 用的定位方法有全球卫星定位系统( g p s ) 、光电码盘、惯性陀螺、磁罗盘、路标 匹配、广义路标匹配等。上述每一种方法均有各自优点及局限性，因而移动机器 人实际采用几种方法结合使用，以充分发挥各自优点而避免各自的缺陷，从而提 高定位系统的精度和可靠性。 己知环境地图的定位易于解决。但在完全未知环境下，定位具有更大的难度， 目前存在三种方法。一种是利用编码器、陀螺仪等传感器计算单位时间内机器人 的方位变化，并不断累计，从而实时获得方位信息。这种方法不能消除累计误差， 即使使用诸如卡尔曼滤波器等方法进行传感器融合，也不能根本解决这个问题； 另一个方法是对前一种方法的扩展。这种方法引入外界信标，来消除航位推测系 统的累计误差。但是这种方法改变了外界环境或者依赖于特定环境，并且信标不 能完全覆盖所有区域，所以并不理想：第三种方法将定位问题与环境感知、环境 建模紧密结合起来，独立于具体的工作环境。但是地图的信息也来源于传感器信 息和定位信息，定位与环境建模必然形成了“先有鸡还是先有蛋”的复杂关系。 在实现上，定位与环境建模同步进行( s i m u l t a n e o u sl o c a l i z a t i o na n dm a p p i n g ) ，相 互依赖。所以必须具有从现有地图中确立自身位置以及辨识新区域、实时融入新 区域等功能。 1 3 4 路径规划 一般的路径规划问题主要是寻求从起始点到目的标点的最优或者近似最优 的无碰撞路径。但是自主吸尘机器人的路径规划具有“遍历”的特点。规划器的 目标是在封闭区域内实现机器人的行走路径对工作区域的最大覆盖率和最小重 复率。这项技术对于自主吸尘机器人、擦窗机器人、扫雷机器人、割草机器人、 农业机器人、打磨抛光设备等都具有重要的意义。自主吸尘机器人的遍历路径规 划方法可以分为两类：无环境模型的规划方法和基于环境模型的规划方法。 中国科学技术大学硕士论文 a ) 无环境模型的规划方法 目前定位和环境建模还处于探索阶段，所以广泛使用无环境模型的规划方 法：随机工作方式和随机+ 局部遍历规划方式。随机工作方式基于这样的前提： 时间足够长的条件下，机器人的行走路径可以完全覆盖工作区域。显然这种方式 效率不高。而随机+ 局部遍历规划的方式是在缺少全局环境地图和全局定位能力 的条件下，在局部范围内进行遍历性质的路径规划。这种方式对定位能力和环境 建模精度要求低，但覆盖率较高，重复率较低，在浙江大学h s r 2 0 0 0 上己经成 功应用了此种方法。 b ) 基于环境地图的规划方法 在理想条件下，基于环境模型的全局规划方式具有最大的覆盖率和最小的重 复率。但是定位和环境建模技术还不成熟，所以全局规划的研究还主要处在理论 分析阶段。使用的方法有单元分解、行为模板、光栅扫描、神经网络和代价函数 法等。单元分解法将工作区域分解成相互不重叠的单元。规划器按照一定的方法 确定单元的访问顺序，从而产生一个最优或者近似最优的全局路径。在路径规划 中，机器人的自定位具有关键性的作用。定位误差使规划路径在实际应用中效率 大打折扣，甚至失败。因此彻底解决路径规划问题，必须首先解决定位问题。另 外，自主吸尘机器人中的关键技术还包括机器人局部区域的无碰撞导航技术、机 器人运动控制技术等，这些技术己经能够发展较为成熟，因此不再详述。 综上所述，全自主智能吸尘器具有广阔的市场前景，虽然在这方面的研究己 经取得了很大进步，进入了实用阶段，并且有很多样机和产品已经产生，但它们 仍有很多的问题需解决，比如自主能力、工作效率等还不够理想。吸尘器自主地 在房间内吸尘而不需主人太多的干预，是一件非常有挑战性的工作，它涉及了当 前多项人工智能技术。从技术上来说，智能吸尘器主要智能指标为自主性和适应 性。自主性指机器人能根据人下达的工作任务和周围环境情况自己确定工作步骤 工作方式和行走路径。适应性是指机器人通过学习适应复杂多变工作环境的能 力，不但能识别周围物体，还能理解周围环境，做出正确判断及反应。因此在技 术上还需要进一步解决传感器技术、定位和环境建模技术。在此基础上，自主吸 尘机器人将来的发展趋势将可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发 展。 中国科学技术大学硕士论文 第二章机器人的体系结构和行为分析 2 1 模块化设计 模块化设计是一种着重解决产品品种、规格、与设计制造的周期、成本之间 矛盾的现代化设计方法，是在对一定范围内的产品或系统进行功能分析的基础 上，划分并设计出一系列功能独立、结构独立的基本单元一模块，并使模块系列 化、标准化，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品或系统，以满足不同需 求的设计方法。模块化设计在技术上和经济上具有明显的优势，经理论分析和实 践证明，其意义主要体现在下述借个方面： 1 可以缩短产品的设计和制造周期，从而大大地缩短供货期限。 2 有利于产品的更新换代以及新产品的开发，增加对市场的快速应变能力。 3 有利于提高质量，降低成本，增强产品的竞争能力。 4 便于维修 服务机器人具有环境多义性和高智能化的特点，设计周期和制造成本成为急 需解决的难题。模块化概念的引入为推动服务机器人实用化进程提供了新的思 路，选择适当的模块机器人拓扑关系和标准模块，迅速组成模块机器人是缩短机 器人设计周期和降低成本的有效途径。 目前模块设计主要存在3 个方面问题 l 合理划分模块。模块划分的合理，则模块的适应力强，组合性好。要做到这 一点，除进行功能分析之外还应很好的解决模块之间的联系问题，这种联系既要 满足安装、定位的要求，又要满足力流和运动传递方面的需求。 2 模块的管理。模块化设计的产品不同常规产品，而是按照模块为单元进行管 理。充分利用现有模块，进行合理组合，并使能迅速有效的组成满足需要的产品 3 解决好造型与冗余结构冗余的问题。模块用于不同规格的产品，常会有尺寸 上的不协调问题，所以在进行模块化设计时必须同时注意其造型。 全自主智能吸尘器应包括吸尘器车体、控制系统、传感系统、行走驱动系统、 吸尘系统和电源系统等组成。其中控制系统包括系统管理单元、运动控制单元等： 中国科学技术大学硕士论文 驱动系统包括移动机构、驱动电机和减速装置等。每个模块系统的在紧密相连的 同时保持很大的独立性，不仅便于设计，安装，调试，而且各个部分都能实现自 己特有的功能。 2 2 车体设计 不仅机器人各个系统采用了模块化设计思想，车体本身的机械设计也采用了 模块化设计思想。整个机器人的机械结构可以分为：2 个后轮驱动系统，碰板系 统，前轮系统，清扫系统。其中除了碰板系统模块是双自由度外，其他系统模块 都是单自由度和车体基板相连接。 机器人本体良好的结构设计是其他各项功能的基础。由于移动机器人所采用 的机械传动方式，加工制作等所产生的固有误差，势必对移动机器人的控制带来 影响，增加控制难度，所以在机器人本体设计上，要充分考虑这些因素，尽量减 小系统的固有误差，为实现更精确的控制创造条件。移动机器人的机械传动尽可 能选用一些传动平稳、可靠、简单实用的传动方式。车体的形状，传感器的种类、 数量和位置，软件所采取的算法，这三者必须作为一个整体综合加以考虑才易于 使智能吸尘器达到良好的效果。车体形状的选择应该比较优化和适当简化，这样 智能吸尘器不仅便于移动和工作，也便于传感器的安装和提高传感器的利用效 果，最后对软件的编写也是有利的，比如使程序结构更合理，更简洁，易于阅读， 执行速度更快，可靠性提高吸尘器外形将影响它的覆盖区域。好的外形不仅能降 低移动机器人的算法复杂程度，而且能减少区域边角的死区，还能降低能耗提高 行走精确度。吸尘器外形主要有矩形、圆形。考虑到机构和控制的复杂性本文吸 尘器采用圆形本体，圆形车体的最大优点就是运动灵活，控制简单，不会发生卡 死的现象。本文的吸尘器原形样机的车体采用铝合金板经机械加工而成。 中国科学技术大学硕士论文 图2 一l 机器人车体结构图 车体前端是一个碰板系统由一套机械装置和光电开关组成，用于检测运动方 向上的障碍物。左右二个后轮独立驱动，每个轮子都有电机、码盘、光电传感器， 各自是一个独立的系统，只接受控制系统的控制信号和反馈给控制系统运动信 息。中间镂空的部分是清扫系统，包括二个电机驱动的一个清扫装置和一个吸尘 装置。车体左右二侧装有二个超声波传感器，用于对车体侧面进行探测。 2 3 驱动系统 2 3 1 车轮系统 行走机构、车轮的个数、车轮的平面布置、驱动轮和从动轮的个数及分配对 车体的灵活性、准确定位和导航都有着非常关键的影响。行走机构的决定应以尽 量减少滑动，控制策略不过分复杂，制作相对容易为原则。常见的行走机构有三 轮结构或四轮结构：三轮结构简单、灵活，稳定性稍差；四轮结构稳定性好。一 些结构复杂一些驱动方式有三种：前轮转向前轮驱动，前轮转向后轮差速驱动， 两后轮独立驱动。前轮转向驱动方式移动灵活、控制精度高，后轮独立驱动方式 中国科学技术大学硕士论文 驱动机构简单、控制精度稍差。综合利弊，本文采用在室内移动机器人中应用广 泛的三轮结构，两后轮独立驱动方式前轮为随动轮靠两后轮之间的速度差来控制 小车的运动方向。前面的万向轮为随动轮，无导向作用轮子的材料采用铝合金加 橡皮护套，既可以避免橡皮轮因压瘪变形导致误差，又可以避免金属轮因摩擦阻 力小导致滑动，两后轮分别由一台直流电机经一对齿轮箱变速后驱动。 图z 2 ：后轮结构图 整个后轮的骨架部分是在一块完整的铝合金上加工出来的，电机固定在槽 里，和车轮用履带连接，车轮有一半是淘空的，装有自制的码盘。整个后轮部分 是结合在一起的一个系统，但不是固定的，它和车体有一个铰接点，围绕这个点， 可以做小幅度摆动。运动的时候，整个后轮系统会被车体上的限位装置卡住，从 而正常移动，而当车轮悬空的时候( 比如下台阶) ，这时候，整个系统就会下摆， 相应的传感装置也会反馈给控制系统这样的信息：这里不能运动，电机会自动停 止，等待后轮系统归位。这样的设计的目的是为了节省能源，避免电机做无用攻 前轮也有一个和后轮相类似的设计。前轮的支撑部分是一个垂直方向可滑动 杆，中间有弹簧做缓冲( 运动的时候也有减震的作用) ，滑动杆的上端接有光电 传感器，当前轮悬空的时候，车轮带动连杆下滑，光电传感器接到信号后也会传 到控制系统。前轮这个设计的作用主要是对楼梯等台阶的检测，因为机器人是不 适合在楼梯上清扫的，所以系统会自动认为这是环境边缘，并做相应处理。 中国科学技术大学硕士论文 2 3 2 定位系统 移动机器人的定位技术是一个关键技术。从实用性和成本角度考虑，我们采 用光电编码器一磁航行传感器的定位系统，该系统精度高、数据更新快、性能稳 定而且成本低。光电编码器通过光电转换，可以将输出轴的角位移、角速度等机 械量转换成相应的电脉冲以数字量输出。我们采用增量式光电编码器。当电编码 器轴旋转时，有相应的脉冲输出，其旋转方向的判别和脉冲数t 的增减需借助外 部的判向电路和计数器来实现：其计数起点可任意设定，并可实现多圈的无限累 加和测量：轴转动一圈会输出固定的脉冲，对于光学式旋转编码器，输出脉冲数 与编码器光栅的刻线数相同。我们设计的移动机器人本体采用两个电机单独驱动 后轮，光电编码器作为位置测量的传感器与后轮同步转动。设电机到车轮的传动 比为i ，车轮直径为d ，光电编码器线数为p ，t 时间内光电编码器输出的脉冲数 为n ，车体运行距离为s ，则： 万d n a s = - - 一 妒 根据光电编码器测出的脉冲数，可求出后轮转过的距离，进而计算出机器人的位 置坐标和运动方向。光电编码器属于高精密仪器。安装或使用不当会影响编码器 的性能和使用寿命。编码器与外部联接应避免刚性联接，而应采用弹性连轴器、 尼龙齿轮或同步带联接传动。避免因用户轴的窜动、跳动造成编码器轴系和码盘 的损坏。编码器正常工作时的极限转速 6 0 + 1 0 0 + 1 0 n m a x2 r m m p 其中p 为光栅刻线数。 2 4 传感器单元 移动机器人要实现对外界环境的感知，就必须要建立一个对环境能够准确探 测的传感器系统。传感器的选择要考虑多方面的因素。首先，根据移动机器人所 要完成的任务和要求来决定使用哪些，再则，根据各类传感器的使用性能和特点 来选择。而且，还要考虑经济性，即成本问题，不能一味地追求尖端技术的传感 中国科学技术大学硕 论文 器。 在障碍物探测传感器的选择中，考虑不同传感器对不同特征包括形状、颜色、 黑度等，物体的灵敏度、有效探测角度和距离等因素，同时考虑提高传感器系统 识别物体的可靠性，照顾足够宽的视角距离和高度以决定传感器的数量。通常使 用红外线、超声波、可见光、激光等传感器探测障碍物。超声波传感器方向性差， 但其相对光学传感器而言具有环境适应能力强，不受阴影、灰尘、烟雾等环境限 制，对于吸尘器这一点尤为重要。超声传感器比别的视觉设备便宜且不易损坏， 超声传感器能测实距可沿声波方向获得三维信息，摄像机所成的像由灰度信息组 成，它随光线变化而变化，因而很难根据相对的灰度等级判断物体各部分距离的 远近。红外传感器方向性强，测量精度高，主要缺点是探测视角小，很难探测前 方狭小障碍物。红外传感器和超声传感器单个使用只能获得目标的距离信息，不 能获得目标的边界信息。在实际使用中，通常多个传感器联合使用。考虑传感器 价格和吸尘器的功能要求本文选择二种基本的传感器：光电开关和超声传感器。 2 4 1 光电开关 红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或x 射线。人眼可见的光 波是3 8 0 r a n 一7 8 0 n m ，发射波长为7 8 0 r i m 1 m m 的长射线称为红外线红外线光电开 关( 光电传感器) 属于光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的 遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能 反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为 1 漫反射式光电开关 2 镜反射式光电开关 3 对射式光电开关 4 槽式光电开关 5 光纤式光电开关 红外传感器主要有以下技术指标： 1 检测距离：动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置( 光电开关 的感应表面) 到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离 指接近开关动作距离的标称值。 中国科学技术大学硕士论文 2 回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。 3 响应频率：按规定的1 秒的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。 4 瑜出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负 载，由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管 导通，负载得电工作。 5 检测方式：根据光电开关在检测物体时，发射器所发出的光线被折回到接收 器的途径的不同，可分为漫反射式，镜反射式，对射式等。详见工作原理说明) 6 输出形式：分n p n 二线，n p n 三线，n p n 四线，p n p 二线，p n p 三线，p n p 四 线，a c 二线，a c 五线( 自带继电器) ，及直流n p n p n p 常开常闭多功能等几 种常用的形式输出。 7 环境特性：g d k g 光电开关应用的环境亦是影响其长期工作可靠性的重要条 件。当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘 住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至降低使用参数特性，这些变量尽管已列 入我们的产品设计考虑范围之内，但它终究是造成可靠性降低的最大因数，其较 简便的解决方法是根据g d k g 传感器的最大检测距离( s n ) 降额使用来确定最 佳工作距离 另外还有还有防护等级，指向角等等 本文使用的光电开关为槽式，基本结构如图：本机器人对光电开关的应用为 3 个轮子的悬空判断，这3 个车轮系统都会外延一个中间有孔的一块遮光板，遮 光板和车轮系统保持相对静止，当机器人正常运动时，折光板中间的孔正好让接 收器接收到发射器的信号。当车轮悬空时，带动遮光板运动，接收器收不到发射 器的信号 糟式先宅开 罄 橙l 曲体 甚 图2 3 光电开关结构示意图 2 4 2 超声波传感器 中国科学技术大学硕士论文 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在2 0 h z 一2 0 k h z 范围内，超 过2 0 k h z 称为超声波，低于2 0 h z 的称为次声波。常用的超声波频率为几十k h z 一 几十m h z 。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡( 横波) 及 纵和振荡( 纵波) 。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体 及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过 程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十k h z ，而在固体、 液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较 小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路， 制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。 超声波传感器主要材料有压电晶体( 电致伸缩) 及镍铁铝合金( 磁致伸缩) 两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅( p z t ) 等。压电晶体组成的超声波传感器是 一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超 声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器 既作发送，也能作接收。 超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、 接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚 等。 目前较为常用的是压电式超声波发生器如图所示 共鬣蠢 电投 屯越片 陬理图 结构图 图2 4 ：超声波传感器原理结构图 誓一 ( 外毙) 并囊喇 直麓 基崖 引蛙 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器 中国科学技术大学硕士论文 内部结构如图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加 脉冲信号，其频率等于压电品片的固有振荡频率时，压电晶体将会发生共振，并 带动共振板振动，进而产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板 接收到超声波时，将使得压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成 为超声波接收器。我们把发射、接收超声波的器件称为超声波换能器。 超声波在空气传播过程中，波束面积会不断扩大，这就使得超声波换能器在 接收波和发射波时有一定的指向性。图4 3 1 2 是个商品化的4 0 k h z 超声波换 能器( 开ni c m ) 的指向特性图。指向特性是随着超声波频率的增高而变化的，频 率越高特性曲线越尖锐，不可能像光束那样集中，因此在进行距离测量时，方 向性不是很好。用于移动机器人导航的超声测距方法，一般采用渡越时间法 ( t o f ) ，即d = c t 2 ，其中d 为移动机器人与被测障碍物之间的距离，c 为声波在介 广f 质中的传播速( 空气中c = 3 3 1 4 11 + 杀米秒，t 为绝对温度) ，在不要求测距 yj 精度很高的情况下，一般可以认为c 为常数，t 为超声发射到超声返回的时间间隔， 即“渡越时间”，此法测量主要是测量时间t 。 f 定封嚣f 弋亘丑喝璧卜盛妇 豳 图2 5 ：超声波测距原理图 在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度 要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往 返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 本机器人的超声波传感