（机械工程专业论文）家庭清洁机器人性能分析与运动规划研究.pdf

中文摘要 自主移动家庭清洁机器人是家庭服务机器人中的典型代表，它的问世与普及 将为家庭服务机器人的推广奠定良好的基础。家庭中的自主移动机器人将在未 来的老龄化社会中起到巨大作用，开发并研究这样一类机器人其意义深远。本 论文在现有家庭清洁机器人的基础上，从机器人的系统和机器人路径规划两个 方面做了进一步深入研究。 本论文首先对现有家庭清洁机器人的研究现状进行对比与分析，确定了本 论文的研究重点及研究方向。在对国内现有家庭清洁机器人机械系统进行详细 分析的基础上，对清洁机器人的清扫功能做了一定改进。现有的大部分机器人 只能实现吸尘的功能，改进后的机器人增加了拖地的功能。 其次，对现有的清洁机器人路径规划算法做了改进，论文以国内市场上的 一款智能吸尘器作为研究对象，对这款智能吸尘器的路径规划方法做出了详细 分析，并结合传统的路径规划方法，提出了本论文对全覆盖路径规划问题的解 决方法一改进的模板法。 使用了通用的机器人仿真软件r o b o t b a s i c 验证改进的模板算法的可行性， 在仿真过程中对已有的算法作了详细对比与分析，并重点对改进的模板算法进 行了仿真分析，仿真结果证实了该算法在静态环境和动态环境中的有效性。 最后，在研究对象的机械本体上安装了相应的传感器，搭建了清洁机器人 硬件平台，并将该算法移植到单片机上，对机器人路径规划算法进行了实验研 究，并对覆盖过程中出现的问题进行了分析与改进，实验结果表明该算法具有 可行性，并兼具简单，易实现等特点。 关键词：清洁机器人，改进模板法，全覆盖路径规划 a b s t r a c t d o m e s t i ca u t o n o m o u sm o b i l ec l e a n i n gr o b o ti sat y p i c a lr e p r e s e n t a t i v eo ft h eh o m e s e r v i c er o b o t ，i t sa d v e n ta n dp o p u l a r i t yw i l ll a yag o o df o u n d a t i o nf o rt h ep r o m o t i o n o ft h eh o m es e r v i c er o b o t t h ed o m e s t i ca u t o n o m o u sm o b i l er o b o tw i l lp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei na na g i n gs o c i e t yw h i c hw i l lh a p p e ni nt h ef u t u r e ，s od e v e l o p i n gs u c h ak i n do fr o b o th a sf a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , af u r t h e rs t u d yw a sd o n eo nt h er o b o ts y s t e ma n di t sp a t hp l a n n i n g b a s e do nt h ee x i s t i n gd o m e s t i cc l e a n i n gr o b o t ，t h i st h e s i sf i r s t l yd i dc o m p a r i s o na n d a n a l y s i so ft h ee x i s t i n gd o m e s t i cc l e a n i n gr o b o ti no r d e rt od e t e r m i n i n gt h ef o c u sa n d r e s e a r c hd i r e c t i o no ft h i sp a p e r t h ef u n c t i o no ft h em e c h a n i c a ls y s t e mw a si m p r o v e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i c a ls y s t e mo ft h ee x i s t i n gd o m e s t i cc l e a n i n g r o b o t m o s te x i s t i n gr o b o tc a no n l yr e a l i z et h ef u n c t i o no fd u s ta b s o r p t i o n , i m p r o v e d r o b o tw a sa d d e dan e wf i m c t i o n - m o p p i n g t h em e t h o do fp a t hp l a n n i n gf o rd o m e s t i cc l e a n i n gr o b o tw a si m p r o v e di nt h i s p a p e r , f i r s t l y ，锄i n t e l l i g e n tv a c u u mc l e a n e rs o l d i nt h em a r k e tw a sc h o s e n 嬲a r e s e a r c ho b j e c t d e t a i l e da n a l y s i sf o rt h em e t h o do fp a t hp l a n n i n gw a - qd o n e ， c o m b i n e d 、析t l lt h et r a d i t i o n a lp a t hp l a n n i n gm e t h o dw h i c hw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , an e wm e t h o d - m o d i f i e dt e m p l a t em e t h o dw a sp r o p o s e df o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo f c o m p l e t ec o v e r a g ep a t hp l a n n i n g i no r d e rt ov e r i f y i n gt h ei m p r o v e dt e m p l a t ea l g o r i t h m ，t h i sp a p e ru s e dt h eu n i v e r s a l r o b o ts i m u l a t i o ns o f t w a r er o b o t b a s i c ，i nt h es i m u l a t i o n p r o c e s s ，d e t a i l e d c o m p a r i s o na n da n a l y s i sh a db e e nm a d ef o rt h ee x i s t i n ga l g o f i t h r ao fc o m p l e t e c o v e r a g ep a t hp l a n n i n g ，a n dt h e s i m u l a t i o na n a l y s i sw a sf o c u s e do ni m p r o v e d t e m p l a t ea l g o r i t h r n ，t h ei m p r o v e da l g o r i t h mp r o v e d t ob ef e a s i b l eb o t hi nas t a t i ca n d d y n a m i ce n v i r o n m e n ta c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y ，t h ec o r r e s p o n d i n gs e n s o r sw e r ei n s t a l l e do nt h er e s e a r c ho b j e c t , t h e nt h e h a r d w a r ep l a t f o r mc o u l db eb u i l tc o m p l e t e l y ，a n dt h ea l g o r i t h mw a st r a n s p l a n t e di n t o s i n g l e - c h i p ，t h em e t h o do fp a t hp l a n n i n gf o rt h er o b o tw a ss t u d i e d ，a n dt h ep r o b l e m s f o u n di nt h ec l e a n i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e da n di m p r o v e d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ea l g o r i t h mw a sf e a s i b l e ，a n dh a ds o m ef e a t u r e ss u c ha s s i m p l e ，e a s y t or e a l i z e i i k e yw o r d s ：d o m e s t i cc l e a n i n g r o b o t , i m p r o v e dt e m p l a t ea l g o r i t h m ，c o i n p l c t e c o v e r a g ep a t hp l a n n i n g m 1 1 移动机器人的应用 第1 章绪论 随着机器人技术的发展，移动机器人已经广泛应用于社会生活的各个领域， 其主要应用分为室内和室外。在室内，即在结构化的环境中，结构化的环境主 要包括家庭，工厂，大型商场等大型公共场所。在家庭中，移动机器人可以清 扫房间，甚至可以帮助人们处理一些日常家务；而在工厂里，移动机器人主要 用于物料运输，当然也可用于对厂房的清洁与维护；在大型商场中，移动机器 人可以为顾客导航，为顾客运送商品，甚至与顾客进行交谈，为有需要的人们 提供必要的帮助。移动机器人还可以用于外太空探测，矿石开采，污水管道检 测，农业，森林开采，空中，建筑，水下探测，消防救助，军事等领域。 用于制造业的自动导向机器人( 如图1 1 ) ，主要用于将工件传输到装配线 上进行装配。该机器人的行走原理与我们常见的寻迹机器人类似，它寻找的轨 迹则是铺设在地面的电线：但在有障碍物的情况下，机器人也可以不按照电线 的轨迹行走，避开障碍物，从而顺利到达目的地。 图1 1 自动导向机器人图1 2 医疗机器人 用于医院的移动机器人( 如图1 - 2 ) ，它的主要工作是进行物品的传递，在 走廊行走时，它靠安装在面板上的多个传感器进行导航，而机器人的定位则是 通过安装在其顶部的摄像机完成的，机器人可以通过摄像机拍摄到的安装在房 顶的照明灯的数量进行定位。 图1 3r o vt i b u r o n图1 - 4b r 7 0 0 用于探测的水下机器人r o vt i b u r o n ( 如图1 3 ) ，主要用于深海研究，其 探测系统由视频摄像机，聚光灯，图像传感器等组成。 图l _ 4 所示的为b r 7 0 0 清洁机器人，它由德国人发明，配备了精密的声纳 传感器用于机器人的导航和定位。 霪 图1 5 运木机器人图1 6 火星机器人 用于森林的运木机器人( 如图l 一5 ) 专门用于森林中木材的运送，它的移动 主要靠机器人的六只脚配合来前进，但该机器人无导航功能，运动需要靠人进 2 武迅堡王太堂亟堂鱼i 金塞 行控制。用于外太空的火星机器人( 如图1 6 ) ，它的行走主要由地球的远程控 制完成，同时面板上的一些传感器也可用于避障。 诸如上述，移动机器人大都分为轮式与足式，而且都配有传感器用于探测， 不同用途的机器人开发的成本不同。军用的移动机器人相比民用的而言，其成 本或传感器的精度都较高。用于家庭或办公场所的机器人，其推广可能性远大 于军用，但开发成本过高、效果不理想等缺点导致其推广受到较大限制。 1 2 课题来源及研究目的 本课题来源于2 0 1 0 年度高等学校博士学科点专项科研基金资助课题，编号 为 2 0 1 0 0 1 4 3 11 0 0 1 2 。 清扫机器人属于家庭环境中的移动机器人，它的发展带动了家庭服务机器 人行业的发展，也在一定程度上促进了移动机器人技术、图像和语音识别技术、 传感器等相关技术的发展。许多发达国家都将其作为机器人研究的新领域并给 予重视，我国很多高校及科研单位也在进行清扫机器人技术的研究n ，。 我们通常所说的清洁机器人是指带有吸尘器的移动机器人，故又称吸尘机 器人，现有的吸尘机器人已能够实现室内环境的全自动或半自动清洁，但国内 外的机器人在移动的方式上都各有不同，这一问题已成为近年来的研究热点乜1 。 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，清洁机器人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，开发自主智能清洁机器人既具有科研上的挑战性，又具 有广阔的市场前景，融合了现代传感器以及机器人领域的关键技术b 1 。本课题旨 在市场上已有机器人的基础上，对机器人运动的遍历性与时效性进行研究，使 其能更好的满足家庭需求且方便适用。使它可以更好的替代传统的家庭人工清 扫方式，使这款机器人能顺利走进千家万户，并使家庭生活实现电气化、智能 化，使科技产品更好地为人类服务h 嘲。 3 武邋理王太堂亟堂僮论室 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外清洁机器人研究现状 在国外研制的清洁机器人中，机器人的典型代表有：r c 3 0 0 0 ，r o o m b a ， d c 0 6 ，三叶虫，v c r p 3 0 w 等。 这些机器人都具有其不同的特点，作为家用的机器人而言，对尺寸的要求 一般较高，因机器人需要穿梭在沙发与床底，当然机器人重量也在考虑范围之 内，上述机器人的尺寸各不相同，大小不一，由德国k a e r c h e r 公司生产的机器 人r c 3 0 0 0 仅有5 0 公分长；由美国麻省理工学院人工智能实验室和马萨诸塞州电 子机器人公司联合开发的r o o m b a 重约2 k g ，直径为7 3 厘米陋1 ；d c 0 6 由英国戴森 ( d y s o n ) 公司在2 0 0 1 年初推出，其形状为5 0 厘米长的汽车模型状，重9 2 k g 左右； 由日本日立制作所和日立h o m e l i f es o l u t i o n 于2 0 0 3 年5 月2 9 日推出的清洁机 器人直径仅为2 5 公分，为当时尺寸最小的机器人。而由著名的家电厂商伊莱克 斯生产的“三叶虫 吸尘器其高度仅为1 3 毫米，直径为3 5 毫米，在当时被誉为 小三叶虫，相比较其他机器人而言，它在尺寸上又做了进一步改进。 机器人的结构及传感器设置在一定程度上制约着机器人功能，上述的机器 人其结构与传感器的设置也不同，r c 3 0 0 0 只内置光敏传感器，在遇到楼梯与台 阶时，能够自动避让，不会跌落，这也正是为什么r c 3 0 0 0 只能进行随机清扫的 原因，单一的传感器配置限制了机器人的功能；而“三叶虫 使用超声波探测 器，可以敏捷迅速地觉察出障碍物并绕开，r o o m b a 一共有5 个电机，其中有两 个电机用于驱动，保证机器人的顺利行走，一个电机则用于产生真空，是为了 收集灰尘及小颗粒物，为了配合真空电机，还设置了一个吸尘器电机，将灰尘吸 向真空口，便可以达到清扫的效果；另一个电机是用来驱动下方的边刷而设置 的h 1 ；d c 0 6 装备的感应器比登陆火星的机器人还多，配置了7 0 多个传感器呻1 ；松 下及日立公司研制的自行式吸尘器周围安装有2 1 个红外传感器，其左右两侧各 有一个直径约为1 5 0 c m 的驱动轮。日本日立制作所推出的清洁机器人机身下部设 计了一个最大可自动伸出5 c m 左右的“可动吸尘口 ，机器人走到房间的角落 后，可动吸尘口就能够自动伸出，把角落打扫得干干净净悖1 ；日本松下电器公司 研制的可自动为房屋进行真空吸尘的机器人，机器人的前后部带有酷似眼睛的 小灯，它能发出5 0 种传感信号( 其中包括超声波、红外线等) 。这些传感信号可 让机器人在撞上墙壁或滑落楼梯之前自动转身n 们。 4 武这理王太堂硒堂位i 佥塞 机器人的清扫方式各异，清扫方式涉及到机器人的定位与路径规划问题， 在众多的机器人中，清扫方式以随机和外螺旋最为常见，其中r c 3 0 0 0 f l 皂够自动 清扫地面，但它的行走方式是随机的，当遇到障碍时，随机旋转一个角度，然 后继续直走，直到遇到新的障碍物，这种路径覆盖方式即是最常见的随机覆盖； “三叶虫”能够自由穿梭清扫，自行设计最佳行走路线，它自行设计的最佳行 走路线较r c 3 0 0 0 的随机覆盖方式有所改进；r o o m b a 和d c 0 6 在房间内都是以螺 旋线方式进行清扫并且能很好的避开障碍物，所不同的是，r o o m b a 如在螺旋的 过程中发现墙壁，则沿墙壁行走，而d c 0 6 是先从墙边开始，做沿墙清扫后才做 螺旋线运动，从而对房间进行清扫。不难发现，在规划行走方式上，墙壁是设 计者们必须要关注的部分，但也有机器人不能进行墙壁跟踪，如松下公司研制 的机器人，则是由于设计者人为的限制造成的。在绕开障碍物时，r o o m b a 采用 的是军事上先进的躲避地雷技术，而d c 0 6 不仅能实现对静态障碍物的避障，而 且它也能识别动态障碍物，如有小孩或宠物出现时，它将停止工作，在遇到 障碍物或楼梯时，它也能自动识别，采取相关措施。v c r p 3 0 w 主要依靠3 d 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n 别，v c r p 3 0 w 会自动转向继续工 作；有的机器人在行走方式上也具有一定规律，如松下及日立研制的机器人会 首先沿着墙壁转一圈了解一下房间的大小和形状。它会先以“川 字形进行清 扫，然后是转过9 0 度进行“三 字形的扫除。如果房间的形状为圆形，对圆弧 部分该机器人只会进行一次清扫，如果是正方形的房间，机器人将对相同的地 方进行两次清扫，对不同的房间其清扫量约占3 3 ；再者松下公司研制的机器人 工作时它首先绕房间转一圈，计算出房间的大小，然后在房间内作水平及垂直 运动。这些机器人在清扫时，其路径都遵循一定的规律，对于有规律的清扫方 式而言，其效率肯定高于随机清扫方式，但实用性在一定程度上却要大打折扣。 作为机器人的用户而言，充电时间的长短和工作时间应是他们比较关注的 问题，各种机器人的充电时间及充满电后的运行时间都不尽相同，“三叶虫” 每次充电后可以运行6 0 分钟左右，电量不足时能自动返回充电卡座充电；r o o m b a 采用了3 a h 的镍氢电池，一次充电时间大概需要8 小时，充满电以后可以运行大 约2 d x 时左右；v c r p 3 0 w 的电池能维持5 0 分钟的连续工作，当电量即将耗尽时 可自动回到充电座补充能源。上述的欧美机器人都能自动返回充电，且连续工 作时间在l 小时至l j 2 d x 时之间。 5 武迅理王太堂亟堂位诠塞 各个机器人之间的控制中心，以及内置程序也不尽相同，r c 3 0 0 0 可以在主 人外出时独立完成家庭清洁的任务，其扁平的设计使其能够清洁床、沙发、茶 几等家具的下部位置；它内置四种清洁程序，根据清扫面积的大小，可以选择 合适的程序；“三叶虫 可分三个档位进行工作：正常、快速和点清理；吸尘 器充满垃圾时还会发出灯光警告；为了限制“三叶虫 的活动范围，用户需要 在楼梯间或其它没有天然障碍物的地方，贴上特制的可粘式磁带。r o o m b a 使用 了i r o b o t 开发的a w a r e ( t m ) 智能系统，a w a r e 系统能够让r o o m b a 从多个传 感器系统中获取环境信息，并依次决定如何移动；d c 0 6 的控制中心每秒可发出 1 6 条命令来指挥吸尘器的工作；v c r p 3 0 w 采用了强大的智能系统，使得 v c r p 3 0 w 能轻易地分辨出垃圾与其他日常生活用品，这是以往的清洁机器入 做不到的，v c r p 3 0 w 还具有强大的人际交互功能，允许用户定义工作时间及 清扫区域，在机器人安装摄像头是清洁机器人发展的另一大趋势，摄像头的使 用使机器人的视野进一步扩大，为控制器的决策提供了更有价值的参考信息。 v c r p 3 0 w 的前部安装有摄像头，可以通过计算机查看摄像头的图像信息，实 现了对机器人的远程控制。而在用个别传感器进行探测时，增大其检测频率， 也可以实现对机器人的状态进行实时监测，从而能发出更为有效的指令，这一 方案已应用在松下公司及日立公司研制的机器人上，其单个传感器的采样频率 为2 0 h z 。 在上述的机器人中，机器人的特点和尺寸虽不尽相同，但都具有相似的功 能，这些功能包括： 1 都可以在房间内自由行走并进行清扫； 2 当电池电量耗尽时，都能够返回充电站进行自动充电； 3 大部分机器人都具备数量不一的超声波传感器和红外传感器，对环境进 行探测； 4 都有控制中心，对传感器的信号进行实时处理并发出指令，以实现避障 和运动规划。 综上所述国外的产品在清扫效率及清扫面积上较之国内产品，都有一定优 势，但一般在价格上却难以让人接受，使机器人不具有普及性。 6 ： 武遗堡王太堂亟堂位i 金塞 1 3 2 国内清洁机器人研究现状 目前国内市场上推出了一款名为k v 8 的清洁机器人，其价格便宜，能够实 现自动清扫，但机器人行走的遍历性与时效性都存在较大的不足。 在清扫机器人结构研究上，海尔集团公司研制了一种智能吸尘机器人，它 同国外许多的吸尘机器人一样，行走机构由两个驱动轮和一个万向轮组成，同 时左右的驱动轮含有两个驱动电机和减速器，保证机器人能自由行走。吸尘部 分则是由电动地板刷和吸尘管路组成，在吸尘管路后端安装有吸尘电机，在管 路与吸尘电机之间设有过滤片，以过滤除灰尘外的较大灰尘颗粒及异物。国内 开发的清洁机器人其机械结构大都以此为基础进行开发与改进n 纠。在运动规划 中，国内清洁机器人采用的传感器也大都以超声波传感器与红外传感器为主， 浙江大学1 9 9 9 年开发的机器人以超声波传感器为主，该机器人的遍历方式是先 绕墙行走一圈，同时利用超声传感器感知房间内的环境，获取房间的尺寸信息， 然后主控制器根据环境信息对清扫路径做出规划。由于超声波传感器和控制芯 片在技术上都存在一定的局限性n h 引，故而让机器人先在小面积的环境中进行清 扫，机器人在1 5 平方米左右的房间内工作十分钟后，其面积覆盖率可达百分之 九十以上。对于较大房间的清扫及覆盖效果还有待进一步试验。 在自动返回自主充电的研究中，海尔集团研制的充电座及充电对接方法， 能基本实现机器人与充电座的对接。浙江大学现将研究重点转移到机器人的环 境识别方法上来，通过安装先进的视觉传感器，来感知房间的环境状态，以实 现自身更好的定位。在充电方法和充电效率上也正在做进一步研究。 哈尔滨工业大学n 7 。悖1 多智能体机器人研究中心与龙昌国际集团合作对智能 清洁机器人进行了相关研究，该中心研制的机器人采用p i d 校正来实现直线行 走，机器人配备了红外传感器和碰撞传感器及浮动开关来检测外部环境，选择 的全局遍历算法为内螺旋算法。 机械的行走机构主要分为轮式和履带式，轮式机构主要用于室内的平整环 境中，而履带式的行走机构用于野外、爬坡及避障能力要求较高的场合。而轮 式机构主要分为三轮，四轮和六轮，对于行走于房间的清洁机器人，国内外主 要采取第一种方式，即三轮的行走装置，亦即将后面的左右轮作为驱动轮，前 轮为万向轮，实现机器人的前进，后退以及转弯。 对于清扫机构，国内主要采用的是使用两个滚筒，两个滚筒相对转动，即 一个顺时针转动，而另一个则逆时针转动，将纸屑和灰尘集中起来，为吸尘设 7 武这堡工太堂亟堂僮途塞 备的吸尘做准备。这种方式在一定程度上可以起到室内清洁的作用，但存在死 角难以清除，打扫不彻底等缺陷。 1 3 3 清洁机器人研究中存在的问题 ( 1 ) 多传感器信息融合 对于处在非结构环境中的清洁机器人，各类传感器将成为机器人的环境探 测器，但单个传感器的可靠性，精度及稳定性都相对较差，并且传感器的信息 会相互矛盾，提供的信息会有一定误差和不确定性，这就给外部环境的探测带 来很大难度，导致机器人难以准确的感知外部环境信息，这就需要多个传感器 相互合作才能弥补上述单个传感器带来的缺点及不足，从而准确反映机器人所 处的环境信息，对于多个传感器的信息怎么融合及分析成为移动机器人研究的 一大热点问题。信息融合就是协同使用多种传感器并将各种传感器信息有效地 结合起来，形成高性能感知系统来获取对环境的一致性描述的过程。因此多传感 器信息融合技术在清洁机器人的开发上具有很大的应用价值啪1 。 ( 2 ) 电源 电源技术在清洁机器人中的地位不言而喻，可以说它是能量源，没有电源 就没有移动一说。因移动电源需要同时满足清洁机器人的多种能源需要，如为 控制电路提供稳定的电压，为移动机构提供动力和为清洁操作模块提供能源等。 在这一领域，一般采用化学电池作为移动电源乜。理想的电源应该能够有以下 特点，即内阻小能够快速放电、可充电，在放电过程中保持恒定的电压、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，这就要求设计人员选 择一种合适的电池，尽可能增加清洁机器人的不间断工作时间以及减少其充电 的时间。 ( 3 ) 定位及路径规划 运动规划主要是指机器人的路径规划，路径规划方法一般可分为三种，即基 于地图的路径规划方法，基于创建地图的路径规划方法和无地图路径规划，其 中无地图路径规划算法主要是基于传感器的规划方法。研究人员一般从路径规 划的方式上将路径规划分为点到点的路径规划和全覆盖路径规划，也有学者从 机器人所处的环境将其分为已知环境的路径规划，静态未知环境的路径规划和 动态未知环境的路径规划。本文涉及到的机器人为家用清洁机器人，全覆盖路 径算法为其重点。 8 路径规划的难点在于如何在保证遍历性的情况下，其时效性最好。从国内 现有的产品可以看出，机器人采取的路径规划方式多是随机的或者是随机+ 局部 遍历的覆盖方式，而先进的定位技术和环境地图的构建及环境建模仍然处于摸 索阶段，现有的随机方式是以时间为代价的，即只要不惜时间，其覆盖效果就 能在某种程度上基本满足要求，但这种遍历方式有着工作效率低、重复率高等 显著缺点，故该方式的遍历性及时效性都较差。 机器人的路径规划方法研究起于2 0 世纪下半叶，但时至今日，对这一问题 的研究仍然处于异常活跃的状态，路径规划方法不仅可以运用在二维环境中， 对于空间的三维环境，路径规划算法也有所应用。各种智能算法也一度成为研 究的热点，典型的智能控制算法有模糊控制算法、神经网络算法和遗传算法。 模糊控制算法乜2 1 是通过模拟人的经验从而做出决策的一种算法，该算法主 要应用于较为复杂的系统中，即该系统的特性受到较多变量的影响，单个变量 的变动对决策几乎不起作用，但多个变量变动的监测与汇总对传统的控制理论 而言无疑是一项巨大的挑战。模糊控制算法便在这样的背景下产生，该算法在 应用中首先要确定影响因子的个数，即影响决策的变量的个数；其次确定变量 的变动范围，各变量的值由对应的传感器获取；再则是专家的经验，它模拟人 的直觉对变动中的变量信息模糊化，由此做出决策。模糊控制路径规划方特别 适用于局部避碰规划，具有设计简单、直观、速度快、效果好等特点。 神经网络算法啪1 是基于人脑的神经网络结构而提出来的，人脑中有数以亿 计的神经元，它可以接受外界的信息，并将信息传递给中枢神经，从而使大脑 做出决策，众所周知的是人脑具有自学习与自适应的能力，而且通过训练，学 习的各项技能都能得到强化与提高，神经网络算法正是基于人脑的这些特点而 出现的，在路径遍历和避障中，机器人将采取三个步骤来解决这一问题，第一 个步骤是机器人对环境进行学习，即利用相关传感器获取环境的三维信息，这 就好比人脑对陌生环境的识别；第二个步骤中，机器人将获取的环境信息传递 给神经网络，神经网络对信息做出一定判断，并构建全局地图，好比人脑对陌 生环境的熟悉；第三个步骤是根据获取的环境信息做出相应决策，如同当人脑 获取陌生环境的信息后，便能够做出行动指示。这种算法模拟人的大脑，在一 定程度上，可以大大提高机器人的智能性与可靠性。 遗传算法瞄引始于2 0 世纪7 0 年代，是一种通过模拟生物界的繁殖交配和突 变而找出最优解的智能算法，在算法的初期，总是随机给出一些数值，然后用 一个合适的评价函数对各数值进行评价，以计算其适应度，接着经过选择，交 9 武逯壁王太堂亟堂僮j 金塞 叉，变异等操作，最终获得最优的个体，此时称最优解，在局部的路径规划中 可以应用此算法，每一条可能的路径作为群体中最初的个体，每条路径将以时 间和效率作为评价指标，对每条路径做一定的变换后，最终可以得到一条较佳 的路径。与传统的路径规划方法相比，此算法可有效解决其他算法局部不收敛 的问题。但上述算法存在对c p u 要求高，实现困难等缺点，故还只是停留在理 论研究阶段。对于本课题的研究对象而言，要充分利用各种现有的传感器为主 控制器提供信息，主控制器通过获得的环境信息给机器人规划出最优的完全覆 盖路径。在这一问题上，国内学者研究出不同的算法来解决这一问题，但对于 不同的环境，开发的算法往往只能适应某几种环境，而对于其他环境则不能很 好的应对。故国内在全覆盖路径算法的研究上还有很长的路要走。一种遍历性 和时效性都较好的全覆盖路径算法有待学者进一步开发。 ( 4 ) 清扫机构 国内及国外虽在清洁机器人的路径规划研究和定位等一些方面做了大量研 究，但清扫机构却大都类似，都存在打扫不彻底，死角难以清扫等问题，机器 人的尺寸一直以来也是众多学者和用户关心的问题，故清扫机器人的机械结构 也有待进一步优化。 1 4 本文内容的组织与结构 本章主要介绍了清扫机器人的国内外研究现状及研究中存在的主要问题； 接下来的第二章中，将以松桥公司生产的一款型号为m d r d 2 2 0 1 清洁机器人为 研究对象，分析了该机器人的三维结构，并设计了拖地机构以改善现有清洁机 器人的清扫效果；第三章主要介绍国内外最主要的路径规划算法，并讨论适合 本论文研究对象的最佳算法；第四章将首先介绍本论文中使用的仿真软件，并 利用仿真软件对各种算法进行对比分析，从而确定在本论文研究对象上使用的 全局遍历算法；第五章我们将确定的算法应用于机器人本体上，以验证算法的 遍历性性及时效性。 1 0 第2 章家庭清洁机器人性能分析 2 1 清洁机器人的机械性能分析 针对清洁机器人而言，其主要的性能指标汹1 为安全性和实用性。 2 1 1 机器人的安全性 家用清洁机器人在行走中的动量不宜过大，由式2 1 知可以采取减小质量或 减小速度的方法来减小行驶中的动量，以保证机器人工作中的安全性。 p = m g ( 2 1 ) p 一动量，m - 质量，v 一速度； 1 机器人各零件材料尽可能选用塑料件，选取驱动电机时需注意电机的重 量； 2 设计合适的减速装置以控制行走速度； 3 可以在机器人前部设置缓冲机构，防止碰撞带来的损失。 2 1 2 机器人的实用性 实用性主要是指机器人的清扫效果，它由三个因素决定，一是机器人的高 度，二是机器人的有效清扫面积，三是机器人的外形和清扫装置的布置：机器 人需要穿梭于沙发底和床底，进行吸尘和清扫。故其高度由沙发底和床底的高 度决定；考虑到机械装置主要实现的是对地面的清洁，一次的清洁面积过大， 必然导致机械装置的底盘面积过大，这样机器人在行走过程中显得太过笨重， 从而影响清洁效率，而底盘面积过小，清洁装置提出了更高的要求，- - 贝j j 也将 可能使清洁效率变低，故设计需注意机器人的整体尺寸和有效清扫面积。再者 如想实现机器人对角落的彻底清扫，机器人的外形和清扫机构的设计决定了是 否可以将角落打扫干净。可以为机器人添加角落清扫机构来达到这一目的。 2 1 3m d r d 2 2 0 1 机器人结构分析 m d - r d 2 2 0 1 机器人主要性能参数如表2 - 1 所示： 表2 - 1 重量 5 k g 行走速度0 3 m s 直径3 4 c m动量 1 5 k g m s 清扫面积 9 6 c m 2高度 9 c m 清 图2 1m d r d 2 2 0 l 总体结构 行走机构原理：前轮为万向轮，左右轮为驱动轮的结构。在左右轮驱动下机 器人可完成前进、后退、左转、右转及原地转一定角度 清扫机构原理：机构由相对旋转的毛刷和边刷组成，在行走过程中，相对 旋转的毛刷将灰尘扫起，后置的吸尘器吸走灰尘，将灰尘存放于集尘盒中。 边扫机构原理：边扫毛刷位于机器人的左上部，由电机带动，在行走过程 中，边刷可讲角落的灰尘扫起，同时后置的吸尘器吸走灰尘，将灰尘存放于集 尘盒中。 在驱动方式的选择上，m d r d 2 2 0 1 机器人选择了电动驱动方式，在机器人 开发中，常用的驱动方式包括液压驱动、气动驱动、电动驱动等几种基本驱动 方式。 在清扫机构中，清扫电机与边扫电机都是由电机驱动，因电机转速过大， 故都需要设计减速机构，m d r d 2 2 0 1 机器人中小滚刷转速为3 8 r s ，小滚刷直径 d l = 2 6 m m ，长l l = 1 9 2 m m ，大滚刷转速2 i r i s ，直径d 2 = 3 6 m m ，长l 2 = 1 9 5 m m ，在小 1 2 武这堡王盔堂亟堂僮j 金塞 滚刷和大滚刷之中设置有齿轮箱，为了节省空间，但又要达到减速效果，在齿 轮箱中设置了多个齿轮啮合，以达到最佳传动效果。 机 图2 2 清扫机构装配图 主要的齿轮参数为z l = i8 ，z 2 = 18 ，z 3 = 18 ，7 _ , 4 = 2 5 ，z 5 = 3 2 ，z 6 = 4 5 ，小滚刷的传 动比为3 2 ：2 5 2 5 ：1 8 = 1 7 ，大滚刷的传动比为4 5 ：2 5 2 5 ：1 8 = 2 5 根据以上的主要参 数，在机械设计软件p r o e 中对清扫机构中的零件进行虚拟建模，并对上述的零 件进行装配，获得虚拟的清扫机构( 如图2 2 ) 。 2 1 4 拖地机构的设计 m d r d 2 2 0 1 机器人中没有涉及到拖地机构的设计，机器人的清扫效果不甚 理想。即机器人的实用性不是很好。接下来将对设计的拖地机构作详细分析， 该拖地机构的原理为： 海绵拖布 图2 3 拖地机构原理图 武迅理王太堂亟堂僮i 金塞 海绵拖布固定在传送带上，拖地时，驱动轴静止，拖布在位置1 处，清洗时， 主驱动轴在电机的驱动下转动，此时海绵拖布在传送带的带动下，从l 位置一2 位 置一水箱一挤水杆一3 位置一4 位置一1 位置，回到1 位置时，主驱动轴电机停转。 三维图结构如下： 图2 4 拖地机构的三维效果图 l f t ii o ，1 谩杆：1 i 葫 一 m - m 石一m n - - - - m l m m l m m m 一o 一- - 1 1 _ 一 ah lhi o li ：1 ：1一h hi ：uhl比目一h _ _ _ _ii1- _ _ c 一 i - c _ 掣i 1 c 目h h 鼻ih hr ih1 日 月l 一齿轮传动，垆一 王塑焉二 一 磁孙 吣闲_：爨 图2 5 拖地机构的俯剖视图 1 4 武迅理王太堂亟堂位i 金塞 该拖地机构由六个轴组成，其中三个为驱动轴，另三根轴属从动轴。轴上 有传动带，海绵拖布安装固定在传动带上。 机器人行走过程中，海绵拖布处于最底部，并与地面接触，当机器人停止 行走后，驱动轴1 在电机的驱动下转动，驱动轴2 在链轮的带动下转动，其转速 及转向与驱动轴1 相同，而驱动轴3 则在齿轮的带动下转动，其转向与驱动轴2 相 反，此时传动带将在五轴的带动下运动，同时固定在传动带上的海绵拖布也将 随传动带一起运动，经过水箱，在水箱中清洗后，经挤水杆拧干，如图2 - 6 所示。 然后通过传送带传送回最底端，最底部安装有红外传感器，到达最底部时，红 外传感器感知海绵拖布是否回到最底端，当感知海绵拖布回到最底端时，驱动 轴电机停转，等待下一次拖地。 在此结构中，要保证带不打滑即能确定传动的有效性，设计轮与轴的摩擦 力f = 较重要，其中n 为传动带的张紧力，下面将通过计算来确定张紧力。 选取带的型号为v 带，带轮直径为d l - d ：= 5 0 m m ，功率为p = o 0 9 k w ， n 。= 1 2 0 0 r m i n ；各带轮的中心距由式 o 7 ( q + 皿) 口 2 ( d i + b ) ( 2 2 ) 取各v 带的中心距为 口1 2 = l o o m m ，a 2 3 = l o o m m ，a 3 4 = 7 0 r a m ，a 4 52l o o m m ，a 5 6 = 2 0 0 r a m ，a 6 l21 2 0 m m ； 带的近似长度为：= 口o + 三( q4 - b ) - i - 垡乞云孑上 ( 2 3 ) 可计算出带的总长度：k = l l + l 2 + l 3 + l 4 + l 5 + l 6 ( 2 - 4 ) = 2 5 7 m m + 2 5 7 m m + 2 2 7 m m + 2 5 7 m m + 3 5 7 m m + 2 7 7 m m = 1 6 3 2 m m 带速为v = 丽7 i d 而1 i i 而= 3 1 3 棚s ( 2 5 ) 由此可知带行走一圈的时间为 1 5 ，：兰生：0 5 2 s ，故在清洗海绵拖布时，还需在水槽上部加装红外传感器， v 以检测海绵拖布到达此位置，让驱动电机停转，开始清洗拖布，定时器计时完 毕后，打开驱动电机。 最后计算v 带的张紧力 f o = 5 0 0 譬叫鲁堋2 观 6 ， 式中k 。= 1 为包角修正系数，z = l 为v 带根数，q = 0 1 堙肌。1 为v 带的单 位长度质量。 在装配中需保证张紧力为2 3 n ，可使传动带不发生打滑，保证海绵拖布的传 动。 采用此结构后，可能会增加机器人的重量，故此机构中的零件应采用塑料 件，此结构 2 2 本章小结 图2 6 水箱三维结构图 本章主要从机器人的实用性，安全性和平稳性三个方面对机器人的机械性 能做出分析，并对机器人的驱动部分做了详细介绍。最后为了进一步提高机器 人的机械性能，为机器人设计了拖地机构，并作了相关计算。 1 6 第3 章m d r d 2 2 0 1 机器人的运动规划 3 1m d r d 2 2 0 l 机器人运动规划问题的提出 m d r d 2 2 0 1 机器人在运动时遵循三种常见模式，分别为外螺旋模式、自由 模式、和沿墙模式。机器人在按外螺旋模式运动时，如碰到障碍物，则进入自 由模式，如遇到墙壁则进入沿墙模式，各个模式间的切换较为混乱，没有进行 整体的规划与控制，导致机器人在运动时重复覆盖率较高且清扫效率较低。所 以如何寻找一种更为有效的运动方式来提高清扫效率成为本章讨论的重点问 题。 在讨论这个问题之前，我们首先需要对机器人所处的环境及机器人自身的 传感器有所了解，m d r d 2 2 0 1 机器人工作的环境为室内环境，在研究中我们将 室内环境简化为9 平方米左右的空地，且在这个空间内只有少许障碍物，本文 研究的机器人将在这样的环境中进行遍历实验，而判定遍历是否成功的指标是 遍历性与时效性，正如在第一章中提到的，在保证遍历性的条件下使得机器人 的运行时间最短。 衡量算法优劣的重要指标为覆盖率： 尺：兰堕：n u 下m ( 3 1 ) a 总 以 n u m ：y ，：0 n u m ( 3 - 2 )= 7 ，=kj 式中r 一覆盖率，彳疆t 一机器人的实际覆盖面积，a 总一环境的总面积，a 总- 图像二值化后的总面积，g l u m - 二值化图像中像素值为0 的点的总个数， j f 像 素值。 3 2m d r d 2 2 0 1 机器人运动规划问题的分析 3 2 1 机器人导航与定位分析 在智能机器人研究中，自主导航是一项很重要的核心技术。自主导航算法 1 7 武迅堡工太堂亟堂僮论塞 的优劣与否决定了机器人本身存在的价值。研究自主导航问题，主要是解决机 器人在哪里，去往哪里以及如何去的问题。较多研究资料静3 订将导航分为地图构 建，定位，路径规划和避障四个部分。地图分为已知和未知两大类，如地图是 已知的，则只需将地图信息转换为数字信息输入给控制单元，控制单元根据具 体的地图信息，并采用相关算法，得到最优路径；而地图未知时，地图信息将 由外在的传感器通过感知获得。单个传感器检测普遍存在有效探测范围小、数 据可靠性低等缺点，在实际中，将采用多个传感器同时采集信息，这样可以提 高系统的可靠性，扩展空间及时间上的观测范围，增强系统分辨力，这些外部 的传感器主要分为两大类，一类属于非视觉传感器，例如超声波和红外传感器， 这类传感器使用最为广泛，因其成本低且都是基于单片机开发，易控制，稳定 性较高。但不足是这类非视觉传感器只能感知局部的信息，对整体的信息没有 全局把握，在障碍少的环境中还可正常运行，一旦在障碍物较多的场合，则机 器人将难以完成任务。另一类则属视觉传感器，这类传感器获取的环境信息范 围较广，且精度高。但其缺点是难以将障碍物与背景分离开，要想达到分离的