《服务机器人基础》中职全套教学课件

服务机器人基础全套可编辑PPT课件

目录第一章

服务机器人基本知识A第二章

服务机器人机械系统B第三章

服务机器人控制与驱动技术C第四章

服务机器人感知技术D第五章

服务机器人定位和导航技术E第六章

服务机器人通信技术F§1-1机器人的概念和分类01§1-2服务机器人概述023§1-1

机器人的概念和分类4一、机器人的概念机器人可以从不同角度进行定义。在工程学领域，机器人被定义为能够自主执行任务的智能设备。在计算机科学领域，机器人被定义为能够通过计算机程序进行控制的机械设备。在一般语境中，机器人被理解为一种人造的、有形的物体，通常具备一定的机械能力和人工智能。国际标准化组织（ISO）提出，机器人是具有一定程度的自主能力的可编程执行机构，能进行运动、操纵或定位。在国际上，这个定义被广泛接受。这个定义包括了机器人的各技术要素，体现了机器人的自主性、可编程性和多功能性。5在我国，机器人被定义为“具有两个或两个以上可编程的轴，以及一定程度的自主能力，可在其环境内运动以执行预定任务的执行机构”（引自国家标准《机器人分类》，标准号：GB/T39405—2020）。该定义与国际标准化组织对机器人的定义基本一致。6随着人工智能和机器学习技术的发展，机器人的智能化和自主性不断提升，其应用领域越来越广泛。在工业领域之外，各种各样的服务机器人相继出现。就家庭服务而言，服务机器人可以帮助人们做家务、开展家庭教育、进行娱乐、养老助残等；就公共服务而言，服务机器人可以在餐饮、金融、物流、文化等领域为人类提供一般服务；就医疗服务而言，服务机器人可以辅助手术、康复等医疗措施。7二、机器人的分类机器人的分类可以分别从应用领域、运动方式、使用空间、机械结构等维度进行。按应用领域分类，机器人可大致分为工业机器人和服务机器人。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机械装置，主要用于工厂等固定场所，进行自动化生产和制造，应具备高精度、高速度、高可靠性、高灵活性等特点。服务机器人是专门为人类提供服务的机器人，其主要任务是为人类提供日常生活中的各种支持服务。服务机器人需要与人类进行互动与合作，需要更高的灵活性、安全性和可靠性。8按运动方式分类，机器人大致可以分为轮式机器人、足腿式机器人、履带式机器人、蠕动式机器人、浮游式机器人、潜游式机器人、飞行式机器人和其他运动方式机器人。按使用空间分类，机器人可分为地面/地下机器人、水面/水下机器人、空中机器人、太空机器人和其他使用空间机器人。按机械结构分类，机器人可分为垂直关节型机器人、平面关节型机器人、直角坐标型机器人、并联机器人等。9§1-2

服务机器人概述10一、服务机器人的发展服务机器人的发展历程可分为五个阶段。1960年代至1970年代，是服务机器人的早期研究阶段。1960年代，美国学者罗伯特·海德尔（RobertHeidel）和詹姆斯·皮克尔（JamesPickel）发明了“亲和机器人”（AffectionateRobot）。该机器人可在医疗领域为患者提供交流、倾听和回应服务，用于提升患者的情感状态。111980年代至1990年代，服务机器人的研究得到更多关注和支持，出现了应用于受限环境的服务机器人，即只能在特定环境中执行特定任务的机器人，其任务和场景是受限的。这些机器人通常是专为执行特定任务而设计的。它们执行任务依靠预先编程，很少与人互动。2000年代至2010年代初期，人性化服务机器人兴起。这一时期，随着人工智能和机器学习技术的快速发展，出现了更加人性化的服务机器人。这些机器人不仅能够执行特定的任务，还能在一定程度上开展人机交互。122010年代至2020年代初期，服务机器人的商业应用逐渐扩展，其应用领域不再局限于特定行业或环境。这一时期，机器人可通过语音识别、面部识别和语音合成进行人机交互，被广泛应用于零售业、旅游业和饭店服务业。2020年代初期，出现了基于视觉神经网络系统的人形机器人。其中一些机器人由人工智能大模型提供支持，能够对各种问题做出实时反应，并能较好地模拟人类的语言、表情、动作与人互动，从而能更好地为人类服务。13我国的机器人研究萌芽于20世纪70年代。1986年3月，我国把研究、开发智能机器人列入国家高技术研究发展计划，标志着我国服务机器人的研究和应用正式开始。2000年，我国独立研制的第一台具有人类外形、能模拟人类基本动作的类人型机器人在长沙国防科技大学问世。2007年，哈尔滨工业大学研制出服务机器人“青春”（见下图）。它可以在一定环境下自主行走、躲避障碍，并进行简单的人机对话。2008年11月25日，国内首台家用网络智能机器人——塔米（Tami）在北京亮相。2017年8月，在天津举行的第13届全运会上，国产机器人“优友”与津娃携手点燃全运圣火（见下图）。1415服务机器人“青春”“优友”点亮全运圣火1632020年以后，我国服务机器人行业整体发展迅速。2023年我国服务机器人产量783.3万套，2024年产量达到1051.9万套。2023年我国服务机器人行业市场规模超600亿元，2024年则超过700亿元。16当前，服务机器人结合人工智能技术正向各行各业迅速渗透，服务机器人发展进入了高峰期。从技术角度看，服务机器人正沿着智能化、个性化、网络化、生态化和多模态交互的发展道路迈进。●

智能化：随着人工智能技术的发展，服务机器人的智能化水平也在不断提高。未来的服务机器人将拥有更加智能的语音识别、自然语言处理和图像识别等功能，能够更加准确地理解用户的需求，提供更加智能的服务。17●

个性化：随着生活水平的提高，人们的个性化服务需求也越来越高。服务机器人将尽可能满足人们的个性化需求，提供定制化服务，让用户感受更贴心的服务体验。●

网络化：未来的服务机器人将会更加网络化，可实现远程操作和远程管理，进一步提高服务效率，减少人力成本，为用户提供更为便捷的服务。18●

生态化：服务机器人的发展不仅需要技术的进步，而且需要建立完整的生态系统。未来的服务机器人将与其他设备、平台和服务商等形成生态联盟，共同为用户提供更全面且便捷的服务。●

多模态交互：未来的服务机器人将会采用语音、视觉、触觉等多种方式，与用户进行多模态交互。这样的交互形式可以提高用户参与度，进一步提升服务质量。从市场角度看，提高安全性和降低成本是服务机器人今后的发展重点。19二、常见服务机器人的应用场景1. 咨询和指引服务在银行、医院、酒店等场所，服务机器人可提供咨询和指引服务。应用于这类场景的服务机器人采用语音和文字等交互技术、自然语言处理技术，将用户的语言转化为数据再进行处理，从而与用户有效沟通，理解用户需求。这类服务机器人一般都采用机器学习技术，学习用户的需求和偏好，以提供更好的个性化服务。服务机器人承担客服工作可提升咨询和指引服务水平，提升客户体验，减轻人工负担，提高工作效率，如及时自动回复用户的留言，提供24小时服务等。202. 医疗服务在医疗领域，服务机器人通常为患者提供检测、诊断、手术和康复训练服务。它们能通过视觉、听觉、触觉等传感器感知周围环境和人体状况，为医疗服务提供基础数据；能由人控制，辅助执行手术等医疗任务（如图所示为一种外科手术机器人的床旁机械臂系统）；能借助人工智能技术对数据进行分析和处理，为制定诊疗方案提供支持；能借助自然语言处理技术和图像识别技术与人类互动，提供人性化医疗服务。2122一种外科手术机器人的床旁机械臂系统3. 教育服务教育是服务机器人技术广泛应用的领域之一。当前，服务机器人一般用于远程教育、在线学习和个性化教育，通过模拟教师的行为、动作和语言与学生互动，为学生提供个性化的学习辅导和支持。服务机器人可根据学生的学习水平、兴趣爱好和学习进度等学情，调整教学内容和策略，更好地满足学生需求，帮助学生掌握知识和技能，提高学生学习兴趣和学习效率。此类服务机器人一般采用自然语言处理、机器学习、知识图谱等人工智能技术，能自主学习和自我优化；还采用声音识别、视觉识别和触觉识别等多模态感知技术，全面感知学生的学习状态和情绪变化，提供精准的学习服务。234. 零售服务服务机器人可在商场、超市、便利店等场所提供商品介绍、价格查询、促销推广、库存管理等服务（见下图）。它们具备高精度的视觉感知能力，可识别商品、顾客和周围环境；具备自主导航能力，可在商场内自由移动；具备自然语言处理和语音识别能力，可与用户进行语音交互。此外，一些服务机器人还可处理客户需求，提高零售业的效率，提高服务质量和顾客满意度，并能够收集和分析零售数据，帮助零售商更好地制订和调整销售计划。2425超市里的服务机器人5. 餐饮服务服务机器人可在餐厅、咖啡厅、快餐店等餐饮场所中提供咨询、点餐、结账、送餐服务（见下图）。它们的应用大大提高了餐饮行业的服务效率和质量。此类机器人一般采用激光雷达和摄像技术，能做到自主导航，实现在工作场所自由移动；采用语音识别、视觉识别等技术，领会顾客需求，与顾客进行对话交流。此类服务机器人往往还能根据客户的历史偏好提供个性化的服务。2627执行送餐任务的服务机器人6. 物流服务服务机器人可在仓库或配送中心提供拣货、装卸、分拣等服务（见下图），显著提高物流行业工作效率。此类机器人具备较高的效率和运动精确性，能够在复杂环境中自主地规划和执行移动路径，避开障碍物，到达目标位置，精准地抓取、搬运或放置物品。此类机器人以人工智能技术为核心，一般将摄像头采集的视觉数据和激光雷达、超声波传感器、红外传感器等装置采集的数据融合处理，提升导航精度和复杂场景适应性。此类机器人通常还可以集成物联网技术。物联网能实时监控其状态以及仓储环境数据，并与云端系统联动，实现全流程自动化管理。2829仓库内的服务机器人7. 家政服务服务机器人在家政方面可用于完成扫地（这种机器人通常被称为“扫地机器人”，见下图）、洗衣、烹饪、照顾婴儿和老人等家务。此类服务机器人具备高精度的定位和导航能力，可在家庭环境中自由移动并完成工作任务。它们还具备自然语言处理和语音识别能力，可与用户进行语音交流；具备安全感应和响应技能，能够避免与家庭成员和环境发生冲突。30扫地机器人三、服务机器人的主要组成部分按功能划分，服务机器人主要由机械系统、控制与驱动系统、感知系统、定位和导航系统、通信系统组成。机械系统负责为机器人提供稳定的结构支撑，确保各个部件之间的连接稳固可靠，并实现移动和任务操作。机械系统包括机器人的结构框架、关节、运动部件和执行装置。控制与驱动系统负责接收来自上层系统和用户的指令，处理和分析传感器采集的数据，并根据指令和数据处理结果，驱动机械系统完成指定的动作。控制与驱动系统包括控制计算机、传感器、运动伺服驱动系统等部分。31感知系统主要依赖各种传感器，通过获取周围环境的信息，实现视觉、听觉、触觉、距离等多种感知能力。定位和导航系统主要依赖传感器、导航卫星信号接收器等设备，实现服务机器人在室内外未知环境中确定位置、构建地图、规划路径、自主导航。通信系统负责数据的传输、接收和处理。服务机器人的通信包括机器人内部信息传递、与用户或外部其他设备的信息传递两个方面。32§2-1服务机器人机械系统概述01§2-2服务机器人的末端执行器02§2-3服务机器人的手腕0333§2-4服务机器人的手臂04§2-5服务机器人的底盘05§2-1

服务机器人机械系统概述34一、机械系统的重要性机械系统决定了服务机器人的功能和性能，是机器人的核心组成部分。机械系统不仅承载着各种传感器、执行器、控制系统等硬件设备，还要满足服务机器人的运动学和力学需求，保证服务机器人能够完成移动、抓取等任务。机械系统是服务机器人完成任务的实体支撑。合理的机械系统设计可以最大限度地减少服务机器人的体积和重量，提升性能表现，降低制造和维护成本，提高工作效率和可靠性。35二、机械系统的制造服务机器人机械系统的制造过程包括设计、材料选择、加工、装配、质量控制等多个环节。1. 设计机械系统的设计是整个制造过程的第一步，它包括对机器人的各个部分的设计。在设计过程中需要考虑机器人的功能需求、使用环境、材料选择等因素，同时还需要使用CAD软件进行三维建模和分析。362. 材料选择机械系统的材料选择决定了机器人的强度、重量和成本等因素。常见的机械系统材料包括铝合金、钢、碳纤维等。在选择材料时需要考虑材料的力学性能、成本、可加工性等因素。3. 加工机械系统的加工环节包括数控加工、压力成型、注塑、铆接、焊接、粘接等工艺。374. 装配机械系统的装配需要注意工艺流程和操作规范，确保机器人能够正常运行。装配过程中需要进行精确测量和校准，以确保各个部件的位置和配合符合要求。5. 质量控制机械系统的制造过程需要进行质量控制工作，包括对原材料、加工工艺、装配过程等方面的质量进行监控和检测。常用的质量控制方式包括：用统计方法找出与质量相关的系统性问题、在设计和制造开始前找出产品的弱点、通过对生产过程监控减少失误。38三、机械系统的维护服务机器人机械系统的维护分为保养和维修两方面。保养是服务机器人机械系统日常维护的重要环节，其目的在于通过一系列预防性的措施，确保服务机器人长期、稳定、高效地运行。维修是服务机器人机械系统出现故障或损坏后的修复工作，其目的在于恢复服务机器人的正常运行状态。391. 服务机器人机械系统的保养最基础的保养工作是清洁。定期使用柔软的布料和适合的清洁剂，清除服务机器人外部、关节以及内部部件上的灰尘、油污等杂质，防止这些污物对服务机器人造成腐蚀或影响其正常运行。润滑是保养过程不可或缺的一部分。服务机器人的关节、轴承等运动部件需要定期加注适量的润滑油或润滑脂，以减少摩擦、降低磨损，确保部件运转灵活、顺畅。同时，要定期检查润滑系统的状况，及时更换变质的润滑油或润滑脂。40紧固也是保养工作的重要内容。服务机器人的结构部件通过螺栓、螺母等紧固件连接在一起，长期运行后，这些紧固件可能会因振动等原因而松动，需要定期检查并紧固，确保服务机器人的结构稳定可靠。此外，保养还包括对服务机器人的机械部件、传感器、控制系统等进行定期检查。412. 服务机器人机械系统的维修维修工作的首要环节是进行故障诊断。当服务机器人出现故障时，维修人员需要通过观察故障现象、读取错误代码、分析系统日志等方式，确定故障的原因和位置。这一步骤需要维修人员具备丰富的专业知识和实践经验。确定故障后，维修人员需要进行部件更换。部件更换完成后，维修人员还需要对服务机器人进行系统调试。通过运行测试程序、调整参数等方式，确保服务机器人各部件协调工作、性能稳定。同时，还需要对服务机器人的运动轨迹、速度、力度等进行校准，确保其能够满足工作任务的要求。42最后，维修人员需要对修复后的服务机器人进行测试验证。通过模拟实际工作任务、运行特定测试程序等方式，验证服务机器人的性能是否恢复正常、故障是否已被彻底排除。综上所述，保养和维修是服务机器人机械系统维护的两大核心环节。通过定期的保养工作，可以预防故障的发生；通过及时的维修工作，可以迅速恢复机器人的正常运行状态。两者相辅相成，共同保障服务机器人的稳定运行和延长其使用寿命。43§2-2

服务机器人的末端执行器44一、末端执行器的定义和作用末端执行器（见下图）是服务机器人机械系统的重要组成部分，它是服务机器人机械臂的末端工具或设备，通常与待处理的物体直接接触，用于执行各种操作，如抓取、搬运、精确定位、组装等。末端执行器可以是各种各样的装置，如夹具、吸盘、电磁铁等，使服务机器人能够在复杂环境下完成各种任务，并在服务领域提供更加智能化的解决方案。4546一种末端执行器二、末端执行器的结构和工作原理对应不同的应用需求，末端执行器的构造有多种类别，但一般都会包括机械手指或夹具、末端执行器驱动系统、传感器、控制系统等部分。●

机械手指或夹具：用于夹持或抓取物体。机械手指和夹具的设计通常与待抓取的物体特性相匹配，以确保可靠地实施抓取和放置操作。●

末端执行器驱动系统：用于控制机械手指或夹具的开闭动作。驱动系统可以采用电动、气动、液压等形式，具体的设计应该根据机械手指或夹具的大小、质量和所需操作的精度等因素进行考虑。47●

传感器：用于感知待操作物体的位置、形状、大小、材质等信息，以帮助控制系统确定最佳的抓取姿态和力度。●

控制系统：用于控制末端执行器的运动和操作。控制系统可以采用单片机、嵌入式控制系统等不同的控制方式，具体的设计应该根据机械臂的结构和控制要求进行选择。末端执行器的工作原理因类型不同也有所差异。48三、末端执行器的技术指标实际应用中，要根据任务需求和物体属性规划和控制末端执行器的动作，以确保操作的准确性和稳定性，还要对末端执行器进行安全性能评估和优化，以保障操作的安全性和可靠性。末端执行器的技术指标通常包括负载能力、精度、速度、可靠性、灵活性、响应能力、动力消耗。通常情况下，负载能力是指末端执行器在静态情况下所能承受的最大力矩或者重量。末端执行器的精度是指其在运动过程中位置的精确度和稳定性，可通过多种因素来衡量，如运动控制系统的性能、电机的精度、传动系统的精度等。此外，末端执行器的精度也与其应用场景有很大的关系。49末端执行器的速度通常指其动作执行的速度，包括线速度和角速度，该指标主要由其所使用的驱动器和传动机构决定。末端执行器的可靠性是指其在执行任务时的稳定性、持久性和可重复性，常通过故障率、寿命、可维护性、稳定性和可重复性来评估。末端执行器的灵活性指其对不同任务和工作环境的适应能力。灵活性强的末端执行器可以根据工作需求快速调整其姿态、运动路径和速度等参数，以适应不同工作环境和任务需求，提高工作效率和准确性。50末端执行器的响应能力是指其在运动时对外界环境和负载的响应速度和抗干扰能力。良好的响应能力可以确保末端执行器在复杂环境下快速、准确地做出反应，保证负载物的安全性。末端执行器的动力消耗是指其在执行任务时所需的能量消耗，通常以功率或电量消耗来衡量。优秀的末端执行器应具有低动力消耗的特点，既能保证足够的动力输出，又能避免不必要的能源浪费。51§2-3

服务机器人的手腕52一、服务机器人手腕的定义和作用服务机器人的手腕是末端执行器与手臂相连的部分，通常以多个轴为主构成，起到连接和调整末端执行器姿态的作用。多数情况下，服务机器人的手腕有3个自由度，能进行偏转（Yaw）、俯仰（Pith）、翻转（Roll）三种转动。腕部坐标系及上述三种转动如图所示。5354服务机器人腕部坐标系及手腕的三种转动二、服务机器人手腕的主要结构类型1. 3R结构3R结构（见下图）是由3个旋转轴组成的手腕结构。这种结构通常采用锥齿轮进行传动，3个轴的工作范围一般不受限制，结构紧凑、动作灵活、密封性好，但控制难度较大。采用3R结构手腕的服务机器人广泛应用于包装和物流等领域，所执行的具体任务包括抓取、搬运、堆叠和组装等。55563R结构示意图2. RBR结构RBR结构（见下图）

是由2个旋转轴、1个折曲轴组成的手腕结构，折曲轴在2个旋转轴之间。各轴的旋转中心线相互垂直，操控相对容易，并且结构紧凑、动作灵活，可以使服务机器人在工作时具有更大的运动范围和空间适应性，同时也可以提高动作的精度和可靠性。57RBR结构示意图三、服务机器人手腕的驱动和传动方式服务机器人手腕一般依靠安装在上臂的电机驱动，而传动装置一般为传动带、谐波减速器以及减速器之外的齿轮装置。58§2-4

服务机器人的手臂59一、服务机器人手臂概述服务机器手臂模仿人类的上肢结构和运动，可以完成各种精细的操作任务。服务机器人的手臂通常由多个连杆和关节构成，可以在三维空间内执行各种任务。服务机器人的手臂可以根据需求搭载各种传感器和执行器，实现灵活配置和扩展。60服务机器人的手臂可按不同方式分类。按结构，可分为单臂式、双臂式、悬挂式等类型。按应用场景，可分为迎宾导引类、餐饮服务类、互动娱乐类、导览讲解类、教育展示类等类型。服务机器人的手臂通常有3个自由度，即伸缩（或移动）、左右回转和俯仰（或升降）。有的服务机器人手臂还能横向移动，这种运动一般是通过与其相连的立柱横向移动实现的。61二、常见的服务机器人手臂运动机构1. 直线运动机构手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动。直线运动机构形式多样，常用的有活塞油（气）缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等形式。其中，活塞油（气）缸的体积小、重量轻，因而应用相对更多。2. 回转运动机构回转运动机构的形式有叶片式回转缸、齿轮齿条传动机构、链传动机构和连杆机构。其中，齿轮齿条机构通过齿条的往复移动，带动与手臂连接的齿轮做往复回转，实现手臂的回转运动。623. 俯仰运动机构机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现。手臂的俯仰运动使用的活塞油（气）缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂槽用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接。采用无杆活塞缸驱动齿轮齿条或四连杆机构亦可实现手臂的俯仰运动。4. 复合运动机构这种机构常被用于动作程序固定不变的专用机器人，可使机器人的传动结构简单，简化驱动系统和控制系统，使机器人传动准确、工作可靠。对于服务机器人，除手臂可实现复合运动外，手腕与手臂的运动亦能组成复合运动。63§2-5

服务机器人的底盘64一、轮式底盘轮式底盘在服务机器人中应用较为广泛（见下图）。65采用轮式底盘的服务机器人这种底盘具有结构简单、操作方便、速度快等优点。此外，轮式底盘的成本相对较低，制造和维护都比较容易。实际应用中，可以选择不同驱动和转向方式的轮式底盘，以适应不同的运动要求。轮式底盘也有一些缺点。一是地形适应性有限。采用轮式底盘的机器人在不平整的地形上移动相对困难，有时需要额外的措施来保证其稳定性。二是轮子容易磨损或产生其他损坏，需要定期更换，因此也增加了维护成本。661. 单舵轮底盘单舵轮底盘是一种结构简单且应用广泛的底盘类型，商场、餐厅、办公楼等场所的服务机器人常采用这种底盘。单舵轮底盘通常有一个舵轮和两个从动轮（见下图）。67单舵轮底盘示意图舵轮负责驱动和转向，而从动轮则提供稳定性和支撑力。单舵轮底盘的舵轮通过电机驱动，靠轮胎与地面之间的摩擦力使服务机器人产生前进、后退或横向移动。通过调整舵轮的转向角度和速度，可以实现对服务机器人的精确控制。从动轮在机器人行驶过程中保持固定方向，提供必要的稳定性和支撑力，确保机器人能够平稳运行。

单舵轮底盘的优点：结构相对简单，易于制造和维护，成本低廉，可靠性较高；能保证驱动舵轮始终着地，适用的环境较广泛；通过调整舵轮的转向角度和速度，较易实现对服务机器人的精确控制。单舵轮底盘的缺点：只有一个舵轮提供驱动力，因而承载能力较小；二是在复杂环境中，可能出现转向不灵活的问题。682. 两驱差速底盘这种底盘有两个驱动轮和1～2个从动轮（见下图）。每个驱动轮由一个独立的电机控制，通过调节两个电机的转速，可以实现服务机器人的直线运动、曲线运动和原地旋转。当两个驱动轮以相同速度旋转时，服务机器人沿直线前进或后退；当两个驱动轮以不同速度旋转时，服务机器人将绕速度较慢的轮子一侧的某一点旋转，从而实现转向。从动轮的作用是增加服务机器人的稳定性和承载能力。从动轮不提供动力，但可以帮助机器人保持平衡，防止侧翻。6970两驱差速底盘示意图●

两驱差速底盘的优点：结构简单，易于安装和维护；可以实现复杂的运动控制，在狭窄空间内也能灵活移动；组件较少，制造成本较低。另外，两驱差速底盘还易于与各种传感器、执行器等组件集成，实现功能扩展。●

两驱差速底盘的缺点：在不平坦的地面上运动时，容易失去平衡；越障能力有限，难以跨越较高的障碍物；运动精度受到电机控制精度和传感器精度的影响。713. 双舵轮底盘这种底盘有两个舵轮和一个或多个从动轮（见下图）。舵轮兼具驱动和转向功能，通过调整舵轮的转向角度和速度，可以实现机器人的全方位移动，包括前进、后退、左右转向、原地旋转以及侧向横移等动作。72双舵轮底盘示意图●

双舵轮底盘的优点：灵活性高，可以实现360°回转和万向横移，适应复杂的行驶路径需求；通过精确控制两个舵轮的转向角度和速度，可以实现服务机器人的精确定位和移动，提高作业效率和准确性；具有较大的承载能力，可从事中等载重任务。●

双舵轮底盘的缺点：对地面平整度要求较高，不适应不平整或湿滑的地面；部件较昂贵，成本较高；为精确控制两个舵轮的转向角度和速度，对电机和控制系统的精度要求较高。73双舵轮底盘和两驱差速底盘各自有两个轮子负责驱动，但它们在多方面有所不同，见下表。74

双舵轮底盘和两驱差速底盘的主要区别二、履带式底盘履带宽大的接触面积，可提供更好的牵引力和稳定性，能更好地适应不平的地形和更重的负载。履带式底盘依靠履带与地面之间的摩擦力前进或后退，依靠左右履带的速度差转向。履带式底盘的路面适应性、翻越障碍能力、承载能力都较强，允许推力大，系统稳定可靠，可以在相对复杂或恶劣的环境中执行救援或种植等任务。75三、腿足式底盘腿足式底盘模仿的是人类下肢或动物四肢的运动方式。腿足机器人的出现，让机器人在复杂地形中通行的能力大幅提升，具有强大的越障能力和复杂地形适应能力。轮式底盘、履带式底盘相比，腿足式底盘有更大的灵活性。在不确定因素较多的环境中，腿足式底盘的优势更加明显。常见的搭载腿足式底盘的服务机器人有双足机器人（见下图）、四足机器人（见下图）、多足机器人、腿-轮混合机器人（见下图）等。需要说明的是，四足机器人、多足机器人、腿-轮混合机器人有时也被称为“机器狗”或其他冠以“机器”二字的动物名称，但从技术角度分类，它们都属于服务机器人。7677双足机器人四足机器人和腿-轮混合机器人§3-1服务机器人的控制方式01§3-2服务机器人的基本控制单元02§3-3服务机器人的驱动方式0378§3-1

服务机器人的控制方式79一、服务机器人控制技术的基本概念服务机器人控制技术是指实现服务机器人的运动、感知、交互等功能的方式，以及相关硬件和软件。这些硬件和软件可划分为感知模块、规划模块和执行模块。感知模块负责感知服务机器人自身所处的环境信息和自身状态。其通常使用摄像机、激光雷达和声呐等传感器来探测障碍物，绘制服务机器人周围的环境图，并确定自身位置和运动方向，为服务机器人提供感知能力。80规划模块负责处理感知模块采集的信息，并生成行动计划或运动路径。该模块使用SLAM（同步定位和地图构建）等算法来创建服务机器人的环境地图，并规划到达目的地的路径。它还可以处理其他约束条件信息，如安全或能源效率。执行模块负责实施规划模块生成的行动计划，或者控制服务机器人按既定路径运动。该模块根据传感器提供的信息和任务要求，计算出服务机器人应该采取的行动，并向机器人的电机和执行器发送命令，完成移动、拾取物体或其他任务。它还监测服务机器人的传感器，以确保传感器对环境的变化做出适当的反应。81二、服务机器人的控制方式1. PID控制PID控制是服务机器人中常见的控制方式之一，适用于导航、路径规划、姿态控制和机械臂运动控制等各种应用场景。其算法是一种基于反馈的算法，可用于对机器人的位置、速度和加速度等进行控制。在每个循环周期中，系统的误差为当前实际值与期望目标值之差。PID控制算法的工作原理是：通过比较实际状态和目标状态之间的偏差，如位置、速度和加速度等的偏差，来计算PID控制器的输出，再将PID控制器的输出作为控制信号输入到服务机器人的执行器中，以实现对机器人状态的调节和控制。82PID控制算法由比例项（P项）、积分项（I项）和微分项（D项）组成。使用PID控制算法时，需要设置比例增益、积分时间和微分时间三个控制参数。这些参数一起控制系统的输出，以使其与期望的输出相匹配。PID控制原理如图所示。83PID控制原理图（1）比例项和比例增益（KP）。比例项用于减小系统的偏差。比例增益用于根据误差大小调整输出的强度。比例增益越高，控制作用越强，系统响应越快。但是比例增益过高，则会导致超调；反之，比例增益过低，则可能导致响应时间过长。（2）积分项和积分时间（TI）。积分项用于消除系统的稳态误差（静差）。所谓稳态误差即系统控制过程趋于稳定时，目标值与输出量的实测值之差。若积分时间取值过大，则会导致系统响应变慢；若积分时间取值过小，则可能会导致系统过度敏感。84（3）微分项和微分时间（TD）。微分项能反映误差信号的变化速率，因而能在误差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。若微分时间取值过大，则可能导致系统过度敏感；若微分时间取值过小，则可能导致系统不稳定。852. 变结构控制变结构控制是20世纪50年代发展起来的一种控制方案：控制系统中有多个控制器，根据一定的规则在不同的情况下采用不同的控制器实现控制。就服务机器人而言，变结构控制算法可用于应对不同的控制任务和环境条件，以提高服务机器人的稳定性和适应性。变结构控制算法可以分为两种类型：基于模型的变结构控制和基于经验的变结构控制。基于模型的变结构控制需要对系统进行建模和识别，从而选择适当的控制器结构和参数。基于经验的变结构控制则是基于先前的控制经验，根据实时状态和外部干扰来更换控制器结构和参数。86变结构控制的一个重要应用是移动机器人的导航控制。移动机器人的所在环境和任务往往是动态的和不确定的，在这种情况下，变结构控制可以根据实时的环境变化和自身状态的变化，选择不同的控制器结构和参数来保证服务机器人的导航稳定性和安全性。变结构控制相对于其他控制方式更加复杂，对系统的建模和识别要求更高，因此需要进行更多的实验和测试来优化控制器结构和参数，以达到较好的控制效果。873. 自适应控制自适应控制是一种根据系统动态变化和环境条件自动调整控制器参数的控制方法，旨在保持系统的稳定性和性能。自适应控制的核心在于控制器能够基于测量数据学习并调整其策略，通常表现为控制器参数随时间变化。这些参数依赖于系统的输入、输出和参考信号。自适应控制原理如图所示。88自适应控制原理图与传统的反馈控制不同，自适应控制适用于存在不确定性（如未建模的动力学、噪声或参数变化）的系统。自适应控制通常分为以下三类。●

参考模型自适应控制：通过参考模型的输出调整控制器参数，使系统输出跟随参考模型。●

自校正控制：基于在线辨识技术，不断更新系统模型并调整控制器参数。●

直接自适应控制与间接自适应控制：直接自适应控制的方式是直接调整控制器参数，而间接自适应控制的方式是先辨识系统模型，再设计或调整控制器参数。894. 模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方式。与传统控制方式相比，模糊控制算法具有更好的适应性。模糊控制算法的核心是模糊逻辑，即将事物的模糊性转化为具体的数学模型，并通过模糊推理来实现对系统的控制。模糊控制器由模糊化模块、模糊规则库、模糊推理机、模糊消除模块四个部分组成。90模糊控制原理图5. 神经网络控制服务机器人中的神经网络控制是一种基于人工神经网络的控制方法。它模仿人类大脑中神经元的工作原理，通过学习和自适应性调整来实现自主控制。采用神经网络控制的服务机器人，通过传感器感知周围环境的变化，并将这些信息输入神经网络进行处理和学习。经过一段时间的训练，神经网络可以识别不同的输入模式，并根据预设的目标输出相应的控制指令，从而控制服务机器人的动作。91§3-2

服务机器人的基本控制单元92一、基本控制单元的基本概念服务机器人的基本控制单元是指服务机器人中负责控制和执行各种任务的组件。可将其看作是服务机器人的大脑和中枢，负责从摄像头、激光雷达、声呐等传感器中接收和处理数据，获取服务机器人周围环境的信息，并进行决策和规划，制定合适的动作策略，作出路径规划，通过精确控制执行器的速度、方向和力度，使机器人能够自由移动、抓取物体、执行服务任务等。93基本控制单元也负责机器人与用户或环境间的交互。它可以理解用户的指令或语音，并作出相应的回应和动作。同时，它也可以将服务机器人的状态和任务进度通过屏幕显示或语音等方式传达给用户。作为整个控制系统的核心，基本控制单元接收传感器数据，通过控制算法和决策系统处理数据并做出决策，最终控制执行器实现机器人的动作。因此，基本控制单元的设计和性能直接影响服务机器人的控制能力和任务执行效果。94二、基本控制单元的组成和结构服务机器人的基本控制单元包括驱动器和执行器、传感器和检测器、控制计算机和操作系统、通信总线和接口、人机交互设备等。1. 驱动器和执行器服务机器人的驱动器与执行器直接决定机器人的动作精度、响应速度和负载能力。不同的驱动器和执行器支持不同的驱动方式。驱动器负责将控制计算机发出的控制信号转换为执行器的运动指令，实现对机器人关节或末端执行机构的精确驱动。其性能直接影响机器人的运动精度、速度和稳定性。驱动器主要类型包括直流驱动器、交流驱动器、伺服驱动器、步进驱动器。95执行器的功能是将驱动器输出的运动指令转化为机械运动。常见的执行器包括电动执行器（电机）、液压执行器、气动执行器，此外还有形状记忆合金执行器、压电执行器等。其中，电动执行器主要包括直流电机、交流电机、伺服电机、步进电机等类型。伺服电机常用于需要精确定位的服务机器人，液压执行器常用于执行仓储升降货物任务或执行切割任务的服务机器人，气动执行器常用于执行分拣任务的服务机器人。96服务机器人执行器与驱动器正向集成化、智能化、节能化和模块化发展。集成化是指驱动器与执行器（主要指电机）一体化设计，以减少布线。智能化是指内置人工智能算法，自动补偿负载变化（如自适应阻抗控制）。节能化是指应用能量回收技术，即在制动时将机械能转换为电能存储。模块化是指执行器与驱动器共同构成标准化单元，支持快速重构，从而通过合理选择执行器与驱动器组合，使服务机器人灵活适应物流、医疗、餐饮等不同场景的复杂需求。972. 传感器和检测器根据不同的感知物理量，传感器可以分为多种类型，如视觉传感器、激光传感器、超声波传感器、触觉传感器等。根据不同的检测标的，检测器可以分为温度检测器、声音检测器、烟雾检测器等。从工作原理看，检测器也属于传感器。不同类型的传感器具有各自的特点。983. 控制计算机和操作系统控制计算机是服务机器人的核心处理单元，具有执行控制算法、处理传感器数据、执行任务规划和决策等功能。操作系统则是在控制计算机上运行的软件平台，用于管理硬件资源、调度任务、提供接口和服务等。在服务机器人中，控制计算机通常分为嵌入式控制计算机和通用控制计算机两种类型。嵌入式控制计算机常集成于机器人硬件中，专门用于实时控制和运动规划；而通用控制计算机则可运行ROS等机器人操作系统，用于高级任务规划和决策。994. 通信总线和接口通信总线是实现机器人各部件间高效数据交互的核心技术，主要分为传统总线和工业以太网总线两大类，此外还有一些专用总线。接口是连接通信总线和设备的连接点，包括硬件接口和软件接口。它能够实现实时的数据传输和控制，使机器人能够精确地进行运动控制和传感器数据采集。以太网接口常用于连接服务机器人的上层计算机和服务器，实现高级任务规划和决策，如实现服务机器人和云端的通信，实现远程监控和控制等。1005. 人机交互设备人机交互设备是指服务机器人与人类用户之间进行信息传递、指令输入和反馈输出的工具和接口。通过人机交互设备，用户可以向机器人传达指令、获取机器人的信息，并与机器人进行交流和互动。根据不同的交互方式和形式，人机交互设备可以分为多种类型，如语音识别与合成设备、触摸屏、按钮、手势识别设备、虚拟现实设备等。对于服务机器人来说，人机交互设备需要具备良好的人机交互性，能够方便、直观地与用户进行交流，理解用户的指令并做出恰当的反应。在服务机器人中，人机交互设备的应用非常广泛。101三、基本控制单元的特点和优势●

自动化：服务机器人的基本控制单元可以使服务机器人在一定程度上实现自主或半自主地完成任务，一定程度上减少了人类的干预和指导，可提高服务机器人的效率和准确性，降低人力成本和错误风险。●

智能化：服务机器人的基本控制单元使服务机器人具备一定的感知、理解、决策和执行能力，能够根据环境变化和用户需求进行适应和学习，可提高服务机器人的灵活性和创新性，增强用户体验和满意度。●

集成化：服务机器人的基本控制单元可以使服务机器人与其他设备和系统进行有效的通信和协作，实现数据交换和资源共享，可提高服务机器人的兼容性和可扩展性，实现更高层次的协同和优化。102§3-3

服务机器人的驱动方式103一、电动驱动方式●

电动轮：电动轮是一种集成电机与车轮的驱动装置，通常用于轮式移动机器人。它能够提供直接驱动和灵活地操控，广泛应用于自动导航车、无人物流车等场景。●

电动关节：电动关节是一种用于服务机器人关节运动的电动机构。它通常由电动机、减速器和传动机构组成，能够实现关节的旋转或摆动运动，用于实现服务机器人的多自由度运动。104●

电动线缆：电动线缆是一种利用伸缩式线缆驱动机器人运动的驱动装置。通过伸缩或回缩线缆，可以帮助服务机器人完成平移和抓取动作。这种驱动方式常用于具备较高柔性的服务机器人和一些工作于特殊场景的服务机器人。●

电动舵机：电动舵机是一种集成电动机和控制器的驱动装置，常用于机器人的精确位置和角度控制。这种驱动方式主要有精准控制、高效能、环保低噪声等优点。这种驱动方式可与控制算法结合，实现精确的速度和位置控制；相对于传统的液压和气动驱动，电动驱动的能源转换效率更高，能够节省能源并降低运行成本；电动驱动方式不产生尾气和废气，无刷电机甚至具有较低的噪声水平，对环境和用户友好。105二、液压驱动方式液压驱动机构由液压泵、液压缸、液压阀、液压油等组成。当液压泵启动时，它将液压油从储油罐抽取并压入液压缸中。液压油的流动和压力推动液压缸活塞运动，从而驱动机器人的各个执行部件实现运动。液压驱动的核心组件是液压泵和液压缸。液压泵负责产生液压动力，而液压缸则负责将液压动力转化为机械运动。106使用这种驱动方式的优点有以下几方面。●

承载能力强：液压驱动能够提供较大的力和扭矩输出，适用于需要搬运重物或执行高负载任务的机器人。●

运动平滑：液压驱动可以实现平稳的运动，有助于避免机器人在运动过程中产生振动或冲击。●

具有可编程性：通过控制液压阀的开关，可以实现机器人的精确位置和速度控制，有较好的可编程性。液压驱动也有能耗较高、维护成本较高、控制复杂等缺点。107三、气动驱动方式气动驱动机构由气源、气缸、气压控制阀等组成。当气源提供气体时，气压控制阀打开或关闭，控制气体流向气缸。气体进入气缸后，压力使气缸的活塞运动，从而驱动服务机器人的执行部件实现运动。气动驱动的核心组件是气缸和气压控制阀。气缸负责将气体动力转化为机械运动，气压控制阀负责控制气体的流向和压力。108使用这种驱动方式的优点有如下几方面。●

响应快速：气动驱动系统具有快速的响应时间，可以实现较高的速度和频率。●

安全性高：气动驱动使用气体作为动力源，相对较为安全，不会产生火花或引发火灾。●

成本较低：气动驱动的部件相对简单，制造和维护成本较低。气动驱动也有动力输出有限、运动精度较低、噪声较大等缺点。109四、驱动方式的选型与优化在设计与研发服务机器人时，往往需要根据具体任务需求和机器人的应用场景选择适合的驱动方式，以下是一些考虑因素。●

负载和动力需求：如果任务需要承载大负载，液压驱动往往是更好的选择；对于较轻的任务，电动驱动可能更合适。●

精密控制需求：如果任务需要高度精密的控制，如手术机器人或精密装配，液压驱动可能不太适合，因为这种驱动方式通常有液压漂移。在这种情况下，电动驱动或气动驱动可能更合适。110●

环境因素：环境因素很多，它们对不同驱动方式的影响有显著差别。

●

能源效率：对于需要长时间运行的任务，能源效率是一个重要因素。电动驱动通常比液压和气动驱动更高效。111优化驱动系统以提高机器人的性能和效率时，可以考虑以下几个方面。●

优化设计：在设计阶段，可以优化驱动系统的结构和组件选择，以提高系统的效率和性能。●

使用高效的驱动器和执行器：选择高效的电动机、液压泵或气动元件，以减少能源消耗。●

使用先进的控制算法：采用先进的控制算法，以实现更精确的控制和更优的性能。●

节能措施：通过采用节能措施，减少能源消耗。●

维护和保养：定期进行驱动系统的维护和保养，保持其良好状态，以确保系统的性能和效率。112五、驱动方式的发展趋势服务机器人的驱动方式也在不断创新和发展。其发展趋势包括以下几个方面。●

绿色和可持续发展：未来的服务机器人驱动方式将更加注重绿色和可持续发展。新型驱动技术将采用更加高效和环保的能源，如电池、太阳能和燃料电池，以减少对环境的影响。●

智能化和自主化：未来的服务机器人驱动方式将更加智能化和自主化。驱动系统将能够根据环境变化和任务需求自动调整和优化，实现更加智能的运动控制和路径规划。113●

多模式驱动：未来的服务机器人驱动方式可能会采用多模式驱动，即不同驱动方式的结合。●

柔性驱动：柔性驱动技术是未来可能出现的新型驱动技术之一。柔性驱动可以使服务机器人更加灵活和敏捷，适应复杂和不规则的环境。●

自适应控制：未来的驱动方式可能采用自适应控制技术，可以根据服务机器人的状态和任务需求实时调整驱动方式和参数，以实现更高效的控制。114§4-1服务机器人感知技术基础知识01§4-2服务机器人内部传感器02§4-3服务机器人外部传感器03115§4-1

服务机器人感知技术基础知识116一、服务机器人感知技术的基本概念服务机器人能通过各种传感器等设备感知周围环境，采集与所执行任务相关的信息，并对这些信息进行识别和分析，从而实现智能化决策和操作。感知技术可以使服务机器人更加智能化、自主化，能够更好地适应不同环境和任务需求，提高服务机器人的任务执行效率和安全性。一般来说，感知技术包括信号采集和处理、数据分析和决策等方面。其中，信号采集依靠的是各种传感器。117二、常用的感知数据处理方法感知数据的处理内容主要包括图像处理、语音识别、目标检测、距离测量等。通过对感知数据的处理，控制计算机可以提取出有用的信息，为机器人的决策和操作提供支持。以下是一些常用的感知数据处理方法。●

数据滤波：通过滤波算法对感知数据进行处理，去除噪声和干扰，提高数据的精度和准确性。●

特征提取：对感知数据进行分析，提取其中的关键特征，以便实施后续的决策和控制。118●

数据融合：将多个传感器采集到的感知数据进行整合，得到更加全面、准确的信息。●

数据压缩：对大量的感知数据进行压缩，以减少数据传输和存储占用的资源。●

数据可视化：将感知数据转化为图形或者其他形式的可视化信息，以便人类用户更加直观地理解和处理。●

机器学习：通过机器学习算法对感知数据进行处理和分析，提高机器人的智能水平和自主决策能力。119三、感知系统的结构与性能要求为深入研究和开发感知技术，可将服务机器人中与感知技术相关的硬件和软件作为整体看待，即感知系统。该系统可以分为传感器层、信息处理层和决策控制层。传感器层作为底层，是机器人感知系统中最重要的组成部分之一，其主要作用是采集机器人内部和外部环境的信息，并将原始数据发送到信息处理层进行分析和处理。传感器层包括视觉传感器、音频传感器、力传感器、触觉传感器、惯性传感器和激光雷达等各种类型的传感器。这些传感器可以帮助机器人感知周围环境、识别目标物体、判断机器人自身的状态。120信息处理层是机器人感知系统的中间层，主要负责对传感器层采集到的数据进行分析和处理，并提取其中的特征和模式。决策控制层是机器人感知系统的顶层，主要负责对机器人的行为与任务进行决策和控制。在决策控制层中，机器人利用信息处理层的分析结果，通过决策算法进行规划和优化，生成机器人行动方案，并通过控制计算机控制机器人执行任务。决策控制层是机器人感知系统中最高级别的部分，负责机器人的整体规划和执行过程，是机器人感知系统的核心部分。121感知系统需要模仿人类的感知行为，以实现服务机器人对环境的感知和理解。因此，对感知系统的性能要求主要有以下四方面：●

多传感器融合：传感器层应该包含不同类型的传感器，例如视觉传感器、音频传感器、力传感器、触觉传感器、惯性传感器、激光雷达等，以获取尽可能全面的外部环境和机器人内部状态信息。采用多传感器融合的方式，可以将不同传感器采集的数据融合起来，提高数据的可靠性和准确性。多传感器融合需要考虑到不同传感器之间的相互作用和数据处理的复杂性。122●

实时性和低延迟性：服务机器人的感知系统需要具备实时响应能力，以便对环境变化及时作出反应。因此，传感器层采集的数据需要被快速分析和处理，并在短时间内输入到决策控制层。●

数据质量和隐私保护：传感器层采集数据的质量和准确性对于服务机器人的任务执行至关重要。另外，机器人所采集的数据如涉及用户隐私，需要采取相应的保护措施，例如数据加密、数据去标识化等，以符合有关法律法规。123●

可扩展性和可升级性：随着不同环境和任务的需求变化，传感器层和信息处理层需要不断地增加新的传感器、更新算法，以提高感知系统的性能。因此，传感器层应该采用通用接口和标准协议，以更方便地集成新的传感器，信息处理层应该采用模块化设计，使新的算法可以方便地添加或替换，从而提高系统的可扩展性和可升级性，使服务机器人的感知系统能更好地应对未来的需求变化。124四、感知系统的分类1. 按照感知对象分类按照感知对象的不同，服务机器人感知系统可以分为内部感知系统和外部感知系统。2. 按照感知方式分类按照感知方式的不同，服务机器人感知系统可以分为有源感知系统和无源感知系统。有源感知系统是指机器人主动地向周围环境发出声波、激光等信号，然后通过接收信号的反馈来感知环境；无源感知系统则是指机器人直接感知周围环境的信号。1253. 按照处理层次分类按照处理层次的不同，服务机器人感知系统可以分为低层次感知系统和高层次感知系统。低层次感知系统主要负责感知外部环境和机器人内部状态，并将数据传输到高层次感知系统；高层次感知系统则负责分析和处理低层次感知系统传来的数据，并将结果反馈给决策控制层，以便机器人做出相应决策和行动。126五、感知系统的评估指标1. 准确性准确性是指感知系统对外部环境和机器人内部状态的识别和理解的正确程度。2. 响应时间响应时间是指感知系统识别内部状态和外部环境并作出响应的时间，是评估感知系统性能的重要指标。1273. 可靠性可靠性是指感知系统在长时间运行中的稳定性和可靠性。感知系统需要在不同环境和任务中保持稳定的性能，以保证机器人的正常运行。4. 适应性适应性是指感知系统能够适应不同的环境和任务需求的能力。服务机器人需要在不同的环境和任务中工作，因此，感知系统需要具备较强适应性。128§4-2

服务机器人内部传感器129一、按被测物理量分类的常见内部传感器按被测物理量分类，内部传感器主要包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、压力传感器、力矩传感器、姿态传感器、接近传感器等类别。1. 压力传感器压力传感器是机器人开发中常用的一种内部传感器，用于测量物体受到的压力。机器人通常使用压力传感器来控制机械臂的操作力度和位置，以便更精确地完成任务。1302. 姿态传感器姿态传感器（见下图）用于服务机器人感知自身在三维空间内的姿态，通常是加速度传感器、陀螺仪、磁性传感器的组合。加速度传感器测得的数据经计算可得速度和位移信息；陀螺仪可测角速度，经计算可得角度信息；磁敏传感器可测地磁场强度。据此，可确定服务机器人运动的方向和位置。131姿态传感器二、按工作原理分类的常见内部传感器按工作原理分类，服务机器人内部传感器主要包括电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、光电式传感器、压电式传感器、热电偶传感器、磁敏传感器等类别。在服务机器人中应用较多的霍尔传感器属于磁敏传感器，正交编码器属于光电式传感器。1321. 霍尔传感器霍尔传感器（见下图）也称霍尔效应传感器，可基于霍尔效应原理将磁场的变化转化为电压变化并作为信号输出。133霍尔传感器2. 正交编码器正交编码器（见下图）是一种用于测量旋转角度和转动速度的传感器，常用于服务机器人的关节控制和位置测量等任务。正交编码器由码盘、光源、光敏元件、信号处理电路等部分组成。134正交编码器三、常见内部传感器的应用场景场景一：高智能的机械手臂需要实现各种旋转和平移的运动。为了控制上述运动，内部传感器被安装在机器人手臂的关节部位。当机械手臂进行旋转和平移运动时，速度传感器、姿态传感器等内部传感器能够将旋转速度和平移速度转化为电信号，并将其反馈给机器人的控制系统。这样，机器人就可以实时监测和调节旋转和平移运动，以完成特定的任务。

135场景二：服务机器人在工作中，必须保持正确的姿态和运动轨迹，但工作场地有很多不确定性，会造成突发情况。比如地面的复杂状况会导致服务机器人腿足或轮子打滑，偏离设定的运动轨迹。遇到这种情况，服务机器人体内的位置传感器和姿态传感器会向控制计算机反馈信息。控制计算机据此进行必要的修正，使机器人调整好姿势，重新回到设定轨迹上。136场景三：服务机器人在医疗和康复领域应用越来越多。机器人辅助医生进行手术操作时，需要借助内部传感器以精确控制机械臂的位置和姿态。在康复训练中，机器人会辅助康复对象进行肢体活动（见右图）。此时，内部传感器通过检测机器人有关部件的旋转角度和位移量，精确反馈患者肢体活动范围，避免过度运动或错误动作。137某型号智能康复机器人§4-3

服务机器人外部传感器138一、外部传感器的种类1. 视觉传感器视觉传感器对于服务机器人的作用尤为重要。视觉传感器能够帮助服务机器人感知周围的环境、确定自身的位置。这类传感器能检测和识别周围不同的物体，如人类、障碍物、家具等，使机器人能够快速地做出决策和响应。随着深度学习等人工智能技术的发展，视觉传感器在服务机器人领域的应用越来越广泛，为机器人实现更加复杂的功能提供了技术基础。139常用的视觉传感器包括RGB（红绿蓝）摄像头、3D摄像头（其模组见下图）、激光雷达（其模组见下图）等。其中RGB摄像头通常用于获取物体的基本外观和颜色等信息，3D摄像头用于获取物体的三维形状和距离等信息，激光雷达则可以通过测量光信号往返时间差和反射强度等数据获取场景的三维信息。1403D摄像头模组激光雷达模组2. 音频传感器服务机器人的音频传感器包括传声器和扬声器。与音频传感器紧密相关的语音识别技术可使服务机器人理解人类的语言并作出相应的回应，语音合成技术则能够让服务机器人产生具有人类语言风格的语音。因此，在服务机器人的应用场景中，音频传感器可以帮助机器人更好地与人类进行交互和理解人类需求，提高机器人的智能化和人性化。此外，音频传感器还适用于机器人的声音定位和环境噪声监测等方面。141传声器模组3. 距离传感器距离传感器的主要作用是测量服务机器人与周围物体的距离，帮助服务机器人避开障碍物，规划移动路径等。142超声波传感器模组

红外距离传感器模组4. 温度传感器在服务机器人中，温度传感器可用于监测环境温度，并将其转换成电信号输出，以便机器人根据温度变化作出相应的行动或调整。常用的温度传感器包括热电阻、热电偶和红外温度传感器等。热电阻测温基于金属导体的电阻随温度升高而增大这一特性。143红外温度传感器模组二、常见的外部传感器的应用场景场景一：扫地机器人依靠传声器接收家庭成员的语音指令，如“打扫客厅”“打扫全部房间”等，随即开始工作。其间，它通过摄像头和超声波传感器识别环境中人类、宠物和家具的外形、位置，从而绕过障碍，避免碰撞，并计算出最高效的打扫路径。144场景二：养老陪护机器人一般会近距离跟随在老年人身边。如果被陪护人摔倒或出现抽搐等异常情况，养老陪护机器人的摄像头会及时捕捉到有关画面。如果被陪护人呼救，传声器会接收语音指令。随即，养老陪护机器人会报警并将上述信息及时传递给护工或医疗机构，还会利用红外温度传感器及其他传感器测量被陪护人的体温等体征数据，供医护人员参考。145场景三：酒店服务机器人常执行客人引导任务。当客人进入酒店大堂时，机器人装备的传声器捕捉到客人的脚步声或说话声；摄像头发现客人的位置，并通过人脸识别技术获取客人的身份信息。然后，机器人主动上前迎接，通过扬声器播放语音，引导客人前往前台办理入住手续。在引导过程中，超声波传感器确保机器人与客人保持合适的距离，避免碰撞。总之，外部传感器通过环境感知，为服务机器人提供执行任务所必需的数据；通过人机交互，帮助服务机器人和服务对象相互理解。随着技术的进步，服务机器人外部传感器的精度和可靠性越来越高，体积和功耗则越来越小，应用场景日益广泛。146§5-1服务机器人定位技术01§5-2SLAM技术与服务机器人导航02147§5-1

服务机器人定位技术148一、服务机器人定位技术基础知识服务机器人定位技术是指在室内或室外环境中，通过使用各种传感器、算法和技术手段，确定机器人自身的位置和方向的技术。其原理是通过收集内部传感器和外部传感器采集的数据，将这些数据与环境模型进行匹配，最终确定机器人的位置和运动方向。149二、常用的服务机器人定位技术1. 基于无线信号强度的定位室内环境中，常用的无线信号包括Wi-Fi信号、蓝牙信号、ZigBee（一种可以让多个小型设备互相连接，形成一个网络的无线通信技术）信号等。若已知这些信号源的位置，服务机器人可以通过接收这些信号并计算信号强度来确定自身的位置。150Wi-Fi定位应用最为广泛。这是一种基于无线网络信号的定位技术，通过检测周围Wi-Fi热点或基站的信号强度来确定设备所在的位置。这种定位方式一般采用“近邻法”判断，即判断离哪个热点或基站最近，就认为设备处于该位置。Wi-Fi定位具有扩展性强、数据自动更新、成本低等优点。但是，Wi-Fi热点受到周围环境影响较大，定位精度相对较低。为了提高定位精度，可以事先在数据库中存入大量已知位置点的信号强度，并将其与服务机器人检测到的环境信号强度做对比，从而确定服务机器人的位置。151室外环境中，也可以利用无线网络信号来进行定位。服务机器人可以利用内置的终端设备接收到来自不同移动通信网络基站的无线信号，每个基站的信号强度和时间差会随着移动终端距离基站的远近而改变。通过测量多个基站信号的强度和时间差，可以估算出移动终端的位置。这种定位技术的优点是无需安装额外的硬件设备，仅需利用已有的基站和无线网络设施，即可实现相对准确的定位。该技术也存在缺点，其定位精度会受到无线信号的干扰和衰减的影响，因此需要在实际使用中进行精度测试和优化。1522. 基于惯性测量的定位基于惯性测量的定位是指通过测量机器人的加速度和角速度，计算机器人在空间中的位置和运动方向。这种技术依靠惯性测量单元（IMU）实现。惯性测量单元通常包含三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，测量机器人在三个方向的加速度和角速度，以计算机器人的位置和方向。3. 视觉定位视觉定位是指利用摄像头或激光雷达等设备获取室内环境信息，并通过对所获取信息进行处理和分析，实现机器人的定位。视觉定位主要包括基于特征和基于几何形状两种方法。1534. 基于里程计的定位基于里程计的定位是指通过测量服务机器人底盘轮子转速或步幅、步数，计算机器人的运动距离，再根据初始位置信息和运动距离进行位置测算。这种方法常用于在室内平坦地面运动的服务机器人定位。5. 使用全球卫星导航系统定位使用全球卫星导航系统定位，就是通过服务机器人内置的接收机接收导航卫星发射的信号，计算信号传输时间，进而计算出自身位置。中国的北斗卫星导航系统是世界上主要的全球卫星导航系统之一。154§5-2

SLAM技术与服务机器人导航155一、SLAM技术的工作流程1. 传感器数据采集通过搭载的多种传感器设备（如摄像头、激光雷达、惯性测量单元等）对周围环境进行感知，获取机器人当前的位置信息和环境地图。传感器采集到的数据包括机器人运动信息、距离测量数据、图像信息等。数据采集的效果和传感器的精度、采集频率，以及传感器在不同环境中的适应性和稳定性有关。由于不同传感器采集的数据存在误差和噪声，需要进行数据预处理和校正。此外，数据的实时性和存储方式必须符合要求，以保证数据能够有效地用于SLAM算法的实现。1562. 特征提取为了使服务机器人感知周围环境，需要从传感器采集到的数据中提取出具有辨识度的、具有代表性的特征点，用于后续定位和构建地图。特征提取的作用是降低数据量，减少计算量，提高系统的运行速度和效率。在进行特征提取时需要注意不同的特征提取算法适用于不同的场景和不同的传感器数据类型，同时也需要考虑算法在内外部情况变化时的稳定性和计算复杂度等因素。157以下是三种常用的特征提取算法：SIFT算法适用于处理视角变化、尺度变换、部分遮挡和光照变化场景的特征提取。SURF算法是在SIFT算法的基础上进行改进的特征提取算法，提升了识别速度，但在旋转变化和视角变化场景中的功能稳定性较弱。ORB算法是一种结合角点检测与特征描述的高效图像特征提取算法。相较于SIFT和SURF，ORB算法更快速，适合于需要实时处理的场景。1583. 数据关联数据关联就是将来自不同时间和传感器的数据进行匹配和融合，为构建机器人周围的环境地图做准备。具体说，就是通过特定算法在当前采集的特征点数据集与前期相应的数据集之间找到最佳的匹配点，从而生成一组匹配的点对。这些点对可以用来计算服务机器人的位姿，及其相对于先前观测到的环境的变化。在进行数据关联时，需要注意特征点提取的精确度和速度，以及算法在内外部情况变化时的稳定性和准确性。1594. 位姿估计位姿估计一般分为两种方法：基于特征点的方法和基于滤波器的方法。基于特征点的方法就是在数据关联的基础上，计算服务机器人的位姿。但是，进行位姿估计时，各种干扰会对估计结果产生影响，因此需要对估计结果进行校正和滤波处理，以提高估计的精度和稳定性。这就是采用基于滤波器的方法的原因。该方法利用服务机器人的运动模型（包括运动距离、转动角度等数据），通过不断更新和迭代，提高位姿估计的精度。1605. 构建地图在数据关联和位姿估计的基础上，服务机器人常用以下三种算法确认自身的位置并构建地图。●

八叉树算法：八叉树是一种树形结构，可以将三维空间划分为8个同等大小的立方体，将空间中的点云数据存储到对应的八叉树节点中。该方式可以更加高效地构建地图并进行点云数据管理。161●

栅格算法：将平面空间划分为一系列大小相等的正方形网格，即栅格。通过将传感器采集的数据投影到栅格中，可以构建出服务机器人所在环境的栅格地图，并在地图中较为充分地表示环境信息，如障碍物、走廊等。这种算法所需的存储空间较小，还能够用于路径规划。●

卡尔曼滤波：将不同传感器采集的数据融合到一起，以提高定位和建图的准确性。1626. 循环监测与优化当机器人在环境中移动时，可能会多次经过同一地点，导致信息重复，这会影响地图的一致性和精度，因此需要循环检测等方法解决此问题。循环检测的过程是匹配不同时间点的传感器数据，找到重复的地点，识别出循环，再通过特定算法进行数据优化。优化的目标是最小化误差，从而使机器人的估计轨迹与地图上的约束相匹配。163二、SLAM技术的分类与原理在服务机器人领域中，SLAM技术可以根据不同的分类方法进行划分。若基于传感器类型进行分类，可分为基于激光雷达的SLAM技术、基于视觉（摄像头）的SLAM技术和基于惯性测量单元（IMU）的SLAM技术等。若基于应用场景进行分类，可分为室内SLAM技术、室外SLAM技术、地下SLAM技术和水下SLAM技术等。164基于激光雷达的SLAM技术主要采用栅格算法构建地图，基于视觉（摄像头）的SLAM技术主要采用特征点构建地图。总体看，用特征点构建地图所需数据存储量相对少一些。另外，相比于激光雷达，摄像头可以提供更为丰富的环境信息，并且不需要进行机械扫描，安装要求也较低。然而，采用特征点构建地图往往会忽略所在环境的一些必需的信息（比如环境中障碍物的位置），以致影响定位和构建地图的精度。165基于惯性测量单元的SLAM技术通过集成加速度传感器和陀螺仪等传感器的输出，从初始位置开始逐步估计服务机器人在运动过程中的位置和姿态，从而构建服务机器人在环境中的运动轨迹和地图。这种SLAM技术的主要特点是可在缺乏其他传感器支持的情况下实现同步定位和构建地图。此外，基于惯性测量单元的SLAM技术还可以提供高频率、高精度的定位信息，适用于特别强调实时运动控制的场景。但是，惯性测量单元的累积误差较明显，会导致位置和姿态数据不准确，从而影响构建地图的精度。166§6-1服务机器人通信技术基础知识01§6-2服务机器人集群通信02167§6-1

服务机器人通信技术基础知识168一、模拟信号与数字信号现代通信技术利用电子和计算机技术，通过各类媒介传输和处理信息。其核心在于将信息转化为电信号，经媒介传输后再还原为原始信息。电信号主要分为模拟信号和数字信号，如图所示。169模拟信号与数字信号模拟信号是指连续变化的电信号，它的数值可以在任何时候取任何值。模拟信号可以被变压器、电容器、电感器等元器件放大，以便对其进行采集、传输和处理。在服务机器人中，模拟信号可以用于机器人运动控制、传感器信号读取、语音识别等方面。模拟信号的基本特点是时间和幅度取值的连续性。传输和处理模拟信号时，需要考虑信号的失真、干扰和衰减等问题。这是因为，模拟信号会受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响。170数字信号是由一系列离散的数值组成的信号，通常表示为0和1。数字信号被广泛应用于服务机器人控制和通信，其优势在于精度高、抗干扰能力强，适用于长距离传输和高速通信。服务机器人的电气控制装置通常需要传输和处理数字信号。171在服务机器人的电路中，传输不同的信号需要选用符合相应特性的元器件。传输数字信号时需要使用数字集成电路，以便对数字信号进行逻辑运算、计数、存储等操作。数字集成电路电源电压范围、输入输出阻抗等特性参数需要与其他元器件相匹配，才能保证信号的正确传输和处理。传输模拟信号时，需要考虑信号的幅度、频率和波形等特性参数，这些参数需要与放大器、滤波器、模数转换器等元器件相匹配。172二、内部通信与外部通信服务机器人通信技术可分为内部通信和外部通