北京交通大学
硕士学位论文
清洁机器人系统开发及路径规划研究
姓名：邢敏
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：刘任平
20070501
但新一代产品增加了一系列新的功能，智能化程度有较大提高。
“鲁姆巴发现”具有的新功能包括：在开始工作时可首先对需要清洁的房间面积进行测算，得出清洁工作所需时间；在发现较严重的污处后，能停下来采用强力清洁模式进行重点清洁；能发现小到像胡椒粉末一样微小的脏物，并将其清除；在完成清洁任务后，能自动返回基座，进行充电，为执行下一次清洁任务做好准备。“鲁姆巴发现”的电池可用两小时。如需进行面积较大的清洁工作，在电能马上要耗尽时，它会自动返回基座，重新充电后继续进行清洁工作。它还具有防坠功能，能“发现”楼梯，不从楼梯上摔下去。
最贵的就是伊莱克斯的三叶虫清洁机器入（如图１．２），其售价达到１６０００元。它使用了超声波系统进行导航，能够轻松的避开绝大多数类型的障碍物，同时帮助它测量房间的尺寸。相比其他吸尘器，这款最大的不同的是在清扫过程中会建立房间的清扫地图，并且依此自行设计出在房间中行走的最佳路线。并保证最大程度的覆盖清扫（１２０００元花在这个功能上）。它能够识别门，不过需要用户放置两个磁条在门上，和Ｒ∞ｍｂａ的虚拟墙的概念类似，这些磁条会阻止机器人走出房间。同样的，在电池耗尽的时候，它会自动移动到充电坞站进行充电，并在充满电后回到充电前的位置。
图１．２三叶虫瑞典家电制造商伊莱克斯（Ｅ１ｅｃｔｏｌｕｘ）研制生产的这款清洁机器人小。三叶虫”高１３咖，直径３５舢，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，以保证房问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，计算出清扫整个房问所需的时间。只要接近障碍物，它便会重新设定行迸路线。不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不会被认作是障碍物。
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２ＪＰ．ａｅａｎｅｒ型清洁机器人系统设计
２．１机械结构组成和工作原理
本课题要研制一台结构小巧、灵活，控制简单、易于实现，初步完成自主移动、自动避障和路径规划任务的清洁机器人。整个清洁机器人由机械部分和控制系统两大部分组成。机械部分包括高强度塑料底盘、外壳、两个驱动轮和一个随动轮。它们是吸尘电机、清洁刷、电池以及控制系统的载体。机器人整体外观如图２．１所示。
２．１．１机械结构组成
本清洁机器人的结构如图２．２所示。主要包括以下几部分：
ａ壳体和２个行走驱动轮及驱动电机。该部分主要保证机器人能够在平面内移动．壳体前端和侧面装有红外开关，作为碰撞检测传感器。底面的３个红外开关作为台阶检测传感器，防止跌落。驱动轮上装有光电编码盘，可以对轮速进行检测和控制，实现定位和路径规划。同时还扩展了超声波传感器，用于精确定位的需要；
ｂ清扫机构。用电机带动两个清扫刷，使左面清扫刷顺时针转动，右面逆时针转动，这样就可以在清扫灰尘时将灰尘集中于吸风口处，为吸尘机构的工作做准
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备；
ｃ吸尘机构。制造强大的吸力，将灰尘吸入灰尘存储箱中：
ｄ擦地机构。在清扫、吸尘之后，利用安装在壳体下面的清洁布擦除残留在地面上的细小灰尘，保证清洁工作的质量。
图２－２组成结构图
移动机构是其它部件的载体，机器人移动机构按结构分有轮式、履带式和步行式等。轮式和履带式机器人适合条件较好的地面，而步行机器人则适合于条件较差的路面。本课题研制的自主清洁机器人工作在环境较好的室内，所以采用轮式移动机构较为适合。
轮式移动机器人一般有三轮、四轮和六轮，移动机器人若采用三轮结构则比较简单，能够满足一般的需求，应用也比较广泛：四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构较复杂；六轮与四轮类似，只不过有更大的承载能力和稳定性。在本课题中，清洁机器人的重量不是很大，工作条件是室内，也不恶劣，三点确定一
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本科毕业设计（论文）清洁机器人系统设计 学院信息工程学院 专业测控技术与仪器 （光机电一体化方向）年级班别 2011级（1）班 学号 学生姓名 指导教师 2015 年 5 月
摘要 清洁机器人结合了传感器、移动机器人技术等多个领域的关键技术，实现对室内环境的半自动或全自动清洁，替代了传统的人工清洁工作，具有十分广阔的市场前景。 本文首先综述了清洁机器人的国内外研究现状，在综合比较了国内外多种典型产品的基础上，提出适合中低端用户使用的清洁机器人整体设计方案。 清洁机器人系统由清洁机器人和充电站组成。清洁机器人是实现智能清扫的主体部分，本文介绍了清洁机器人的组成部分，并完成了硬件电路的实现。考虑到存储、接口资源及可靠性能等，主控器选择了STC89C52单片机，所构成的单片机应用系统功能强、性价比高，完全满足控制功能的要求。然后，详细设计了红外传感器，碰撞检测，电源模块、充电模块、键盘、液晶显示以及各种电机控制等电路。在软件设计方面，采用C51语言编制了控制系统各部分的软件，包括主控程序以及中断服务、红外、碰撞传感器检测等子程序。 最后，综合设计结果制作了实验样机，进行实验研究。结果表明，所制作的清洁机器人能够完成房间清扫工作，达到了预期的设计效果。 关键词：清洁机器人，智能清扫，单片机系统 注：本设计（论文）题目来源于自选。
Abstract Cleaning robot is a combination of sensors, the key technology of mobile robot technology, and other fields, the implementation of the indoor environment of semi-automatic or fully automatic cleaning, replacing the traditional manual cleaning, has the very broad market prospect. This article first summarizes the domestic and foreign research present situation of cleaning robot, on the basis of comprehensive comparison of the various typical products at home and abroad, puts forward overall design scheme suitable for low-end users use cleaning robot. Cleaning robot system consists of a cleaning robot and charging station. Cleaning is the main part of the intelligent cleaning robot, this paper introduces the part of the cleaning robot, and the realization of the hardware circuit are completed. Considering storage, interface resources and the reliable performance, and the host controller chose STC89C52 single-chip computer, made up of single chip microcomputer application system function is strong and high cost performance, fully meet the requirements of control function. Are designed in detail, and the infrared sensors, collision detection, power supply module, the charging module, keyboard, LCD display and a variety of motor control circuit and so on. In the aspect of software design, the use of C51 language to compile the various parts of the control system software, including the main program and interrupt service, infrared and collision sensors DengZi program. Finally, the comprehensive design results made experimental prototype, experiment research. Results show that the production of the cleaning robot can complete the room cleaning work, achieved the desired design effect. Key words:cleaning robot, intelligent cleaning, MCU system
摘要 总体方案是设计一个自主控机器人，在一个模拟的平面结构内运动，移动机器人本体，完成自主移动、避障功能。尽快遍历每一个角落，完成任务，这个工作受多个因素的影响。其中在现实生活中清洁机器人清理的过程中，利用了机器人自身的传感系统、运动控制系统和自主蔽障系统，自动记录时间系统等。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。 采用的技术主要有： （1）通过编程来控制小车的速度； （2）传感器的有效应用； 关键词80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车、舵机 一.国内外研究现况 在日本，东日本铁路公司、shinko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入白带容器中[1]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1以保证人的安全Br-3]这些应用还都是用于工业或者公共的场合. 真正具有里程碑意义的是2002年9月清洁机器人‘‘Roomba”美国面市. 这是一款面向家庭的机器人。重约2ky直径为 762mm(30"). 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”的动作有点迟缓. 但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”在家进行清扫英国法国和澳大利亚也都推出过清洁机器人产品 在国内，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. 哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等高校，也对清洁机器人进行了大量的研究，并取得了一些成果，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质和技术基础 二. 设计思路 为了制作一个能够覆盖全区域的清洁机器人，首先是设计一个移动的平台。为了简便起见，设计了两轮车身，两个后轮做主动轮，主动轮用两个直流电机。从动轮用一个万向轮。清扫装置用一个伺服电机带动一个灰尘刮和一个刷子，产生推动力达到除尘的目的。在车身前部放置一个储存垃圾的箱体。在车身的最后还设计了一个抹地机械手，进一步达到清洁的目的，机械手下带有洒水除尘装置，机械手上面的水箱带有一个用伺服电机控制的门，用来控制洒水量。车身上部安
数学建模小组作业 ——扫地机器人的路径优化 二〇一四年七月二十三日第10组组员： +++
扫地机器人的路径策略 【摘要】 我们将扫地机在房间内扫垃圾的路径策略问题抽象为方格化模型，用原始给 定数据做出垃圾指标矩阵Q[300*251],根据扫地机需要的行走路径进行程序嵌套，并用线性规划的方法来进行最优解的求取，然后根据建立的模型，用Matlab 进行仿真演示。最终可以观察到扫地机在每种情况下的清扫路径。由于墙角也会存在垃圾，因此一般情况下我们不能实现100%的清扫，所以我们在此规定清扫完95%的区域即作为合格的条件。下面我们根据题目要求进行如下考虑：问题一 经过分析我们可以将整个清扫区域划分成如图4.1.1所示的小区域，通过运用矩阵整合函数，将矩阵Q[300*251]整合成一维数组T[5]，经过固定时间间隔 所对应的区域，在区域边沿随机选的扫描判断{T（1），T(2),T(3),T(4),T(5)} MAX 取坐标作为运行起始点，如果检测到的最大的元素的所在区域发生了变化，则根据当前位置与随机选好的碰撞点进行路径转移，按照这种方式运行，直到达到扫地机的结束条件停止。 问题二 这时扫地机每次只选择垃圾总指标最多的路径，并且每次扫描发生在扫地机与墙壁发生碰撞的时。扫描过后，机器人可以任意选择方向，选择方向的合适程度将成为扫地机扫地效率的关键，所以我们设定某一点作为扫地机扫描的起点每 次碰撞时的扫描决定下一时刻可能的转弯方向，即某个方向上的垃圾总指标C k 最大的即为下一时刻的转弯方向。 问题三 设计智能扫地机路径，保证扫地机以最短时间达到清扫要求，我们可以选取以下两种优化方向：（1）避免与墙壁进行碰撞，提高机器的灵活性；（2）提高单位长度上清扫垃圾指标总量，即提高清扫效率。 比较问题1与问题2 问题1中的方案存在其合理性，问题2中则显得较为高效，比较两者发现：改变S 大小可以改变地段扫地机性能。 T 关键词：线性规划路径转移划分区域清扫效率
湖面清扫智能机器人的控制系统设计 1、引言 机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，它作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣的环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。在发达国家，工业机器人已经得到广泛应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、紧急救援、危险及恶劣环境作业、医疗康复等领域。进入21世纪，人们已经越来越切身地感受到机器人深入生产、深入生活、深入社会的坚实步伐。机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能机器人。一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人；智能机器人是具有感知、思维和动作的机器人。所谓感知即指发现、认识和描述外部环境和自身状态的能力，如装配机器人需要在非结构化的环境中认识障碍物并实现避障移动，这依赖于智能机器人的感觉系统，即各种各样的传感器；所谓思维是指机器人自身具有解决问题的能力，比如，装配机器人可以根据设计要求为一部复杂机器找到零件的装配办法及顺序，指挥执行机构，即指挥动作部分完成这部机器的装配；动作是指机器人具有可以完成作业的机构和驱动装置。由此可见，智能机器人是一个复杂的软件、硬件综合体。 机器人的核心是控制系统。机器人的先进性和功能的强弱通常都直接与其控制系统的性能有关。机器人控制是一项跨多学科的综合性技术，涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容。 近年来，随着工业和其它服务行业的蓬勃发展，人们在重视其经济效益的同时却往往忽略了他们对环境的污染，人类赖以生存的水资源也不例外。水面污染对人类的水源构成很大的威胁，湖泊尤其是旅游胜地和市内人工湖泊，更是无法逃避漂浮物污染的厄运，举目可见各种日常消费品的包装物在湖面上漂浮。污染的加剧根治水污染。但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备的研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油的清理。目前，我国研制的清理水面漂浮物的设备还未见报道，国外研制的也不多，并且价格昂贵，实现的功能也不尽人意。因此，开发一种性
清扫机器人路径规划方法研究 摘要：近年来,智能清扫机器人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。现在的智能清扫机器人通过软硬件的合理设计，使其能够自动避开障 碍物，实现一般家居环境及特定户外环境的自主清扫工作。本文简单介绍了清扫 机器人基于无环境模型的路径规划的具体办法。 关键词：清扫机器人、无环境模型、路径规划 一、绪论 机器人的研究在日本和欧美的一些发达国家的研究相对比较深入，同时也取 得了很多显著的成果。国内关于清扫机器人的研究也取得了极大的进展。我国继 清华大学于1994年通过智能清扫机器人鉴定之后，陆续有中国科学院沈阳自动 化所研制了全方位移动式机器人视觉导航系统；2001年香港城市大学完整地研究了地面清扫机器人的导航、控制及整个硬件系统；2009年哈尔滨工业大学与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位地面清扫机器人。总而言之，清洁机 器人的研究正在快速发展，并且也越来越深入，但是还有需要完善和改进的地方，例如清洁机器人的避障问题，路径规划等等，所以针对清扫机器人进行一系列的 技术研究探讨是相当有意义的。 二、基于无环境模型的路径规划 清洁机器人的路径规划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，同时实现封闭区域内机器人行走路径对工作区域 的最大覆盖率和最小重复率。目前全区域覆盖路径规划有两种，一种是无环境模 型的路径规划，另一种是基于环境模型的路径规划。本文主要着重介绍无环境规 划的整个过程。 无环境模型的路径规划不需要建立环境模型，有随机遍历路径规划和全区域 覆盖路径规划两种模式。机器人在清扫的时候比较自由，一般都是采用递进的方式，清扫完这个直线再偏移一段距离，掉头清扫另外一条直线，以达到全区域清扫，本文也着重介绍无环境模型的路径规划。基于无环境模型的依据边界的路径 规划方法 三、基于无环境模型的路径规划具体方法 （一）建立房间边界 首次在未知空间内行驶时，小车所能记录的信息为两种，一种是小车两个驱 动轮行驶路程L1与L2，另一种是各传感器被触发的状态。下图是小车在某转角 处的路线图，根据以上特点及为后续数据处理提供依据，我们可以建立如下规则。轨迹计算原理，数据处理规则。 (1)小车转角计算 若小车沿某一物体边缘转过θ角，则可以通过如下公式求算θ角 规定为行走时小车的拐角，规定连续经过多个拐角时，为各自拐角的和。 (2)小车行程的计算 小车行程的计算可以按照两驱动轮轨迹线的中心线即可代表小车行驶时的轨迹，小车行 车记录为： (3)机器人沿着边界行驶 机器人选择任意一方向寻找边界，找到边界后，小车沿边界方向前进直到遇到拐角。行 进过程中根据传感器状态确定内外侧路径，确定完内外侧后，小车前进过程中所记录的拐角
智能清洁机器人设计 引言：本学期我选修了《机器人概论》这一门选修课，听了老师对多种机器人多方面的介绍，我基本上对智能机器人有了一个大概的了解，同时也萌发了自己设计多用途的智能机器人的兴趣。于是，在老师的讲解下，以及自己对生活的一些感悟设计了一款适用于百姓家庭的清洁机器人，以下是我对这款智能机器人的介绍。 Introduction:this semester I took "robot introduction the optional course, listening to the teacher to a variety of robot various introduction, I basically to intelligent robot a general understanding, also had their design utility of intelligent robot interest. And so, in the sense of the teacher, and some of the design life feeling a applicable to the people of the family clean robot, the following is I to this type of intelligent robot in the paper. 关键词：智能化，清洁，机器人 前言：人们常常会问为什么要发展机器人？要发展怎样的机器人？那些机器人适合我们人类生活？其实，机器人分很多种：有军用机器人、生活机器人、医用机器人、农业机器人、微操作机器人等等，毫无疑问它们都是智能化的机器人，它们的出现就是要满足人们各方面的需求，给人们带来便利。最早的机器人出现在1959年，就是说机器人的历史并不算长，但它的发展速度确是飞快的人们都热衷于生产出各式各样适合人们使用的机器人，从以前的机械化到现在的智能化，机器人已发生了很大的变化。在现在的二十一世纪里，人们对生活质量以及对工作的要求促使着智能机器人的发展，机器人可以替人们干那些人干不了、干不好的工作。生活中有些工作会对人体造成伤害，比如喷漆、重物搬运等；有些工作要求质量很高，人难以长时间胜任，比如汽车焊接、精密装配等；有些工作人无法身临其境，比如火山探险、深海探密、空间探索等；有些工作不适合人去干，比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等；这些都是机器人大显身手的地方。服务机器人还可以为您治病保健、保洁保安；水下机器人可以帮助打捞沉船、铺设电缆；工程机器人可以上山入地、开洞筑路；农业机器人可以耕耘播种、施肥除虫；军用机器人可以冲锋陷阵、排雷排弹…… 所以说，机器人已经成为现代生活工作不可缺少的一部分，与人们的生活密切相关。灵感来自平常生活，人们都不大热衷与做家务，有些人觉得烦，有些人则没时间做，与其这样子，为什么不设计生产出可以做家务、搞清洁的智能机器人呢？智能清洁机器人可以帮你清洁你的家居，帮你完成各种烦心的清洁任务，给人们一个干净、清洁、舒适的家。 正文：
智能清洁机器人的商业价值 一、智能吸尘机器人占据未来市场的可能性 作为清洁设备的一个做组成部分，智能吸尘机器人同样有着广阔的发展前景，随着人们日益提高的生活水平，人们对于享受生活的要求也就越来越高。家庭清洁－一项家庭日常必需做得工作，费时费力，很多人都希望可以简单而又轻松的完成这一项工作。故而，智能吸尘机器人有了其存在的市场价值。并且随着越来越多的人需要它，它的存在价值以及发展潜力也就越来越大了。 相比于普通的吸尘器，智能清洁机器人与其相比存在着很大的不同。智能吸尘机器人存在内置智能芯片，可以自动识别判断家庭环境，通过算法来计算行走路径，通过物理或者光学感应来检测家中灰尘的位置并能够自动清扫地板上的灰尘，清理毛发和碎物，并且在清扫任务完成后，智能吸尘机器人可以自动返回充电。而使得智能吸尘机器人可以做到这样的原因就是智能吸尘机器人内置的智能芯片以及提前下载拷贝到芯片中的程序。 在组成部分上，智能吸尘机器人与传统的吸尘器有着很大的不同：1、传感部分：相当于人的五官，起到对外界的感知作用。2、控制部分：相当于人的大脑，起到连接对肢体的支配。3、驱动部分：相当于人的肢体，被控制起到协调作业。4、吸尘部分：在智能吸尘器里面嵌入真空吸尘器部分。5、电源部分：提供机器所需要的动力系统。可以说，除了吸尘部分与传统的吸尘器有共同点之外，用户无法从智能吸尘机器人上找到一丁点吸尘器的影子，而这些正是在未来智能吸尘机器人可以取代吸尘器的原因。 在功能方面，智能吸尘机器人更加适合未来用户关于家庭清洁方面的要求，比如：1、智能清扫：仅仅只需要按下启动，无需人工辅助，智能吸尘机器人便可自动进行吸尘工作遥控清扫，用户可以通过红外线遥控感应器，随时遥控，随时清扫。2、超薄机身：可以直接切入家具底部进行清扫。在不工作时，可以放在任何地方，不占用太大的空间。3、自主导航：由于智能吸尘机器人的内置智能芯片以及算法的缘故，智能吸尘机器人可以采用不同的
第25卷第7期V ol.25No.7 控制与决策 Control and Decision 2010年7月 Jul.2010移动机器人路径规划技术综述 文章编号:1001-0920(2010)07-0961-07 朱大奇,颜明重 (上海海事大学水下机器人与智能系统实验室，上海201306) 摘要:智能移动机器人路径规划问题一直是机器人研究的核心内容之一.将移动机器人路径规划方法概括为:基于模版匹配路径规划技术、基于人工势场路径规划技术、基于地图构建路径规划技术和基于人工智能的路径规划技术.分别对这几种方法进行总结与评价,最后展望了移动机器人路径规划的未来研究方向. 关键词:移动机器人；路径规划；人工势场；模板匹配；地图构建；神经网络；智能计算 中图分类号:TP18；TP273文献标识码:A Survey on technology of mobile robot path planning ZHU Da-qi,YAN Ming-zhong (Laboratory of Underwater Vehicles and Intelligent Systems，Shanghai Maritime University，Shanghai201306, China．Correspondent：ZHU Da-qi，E-mail：zdq367@https://www.doczj.com/doc/a211179779.html,) Abstract:The technology of intelligent mobile robot path planning is one of the most important robot research areas.In this paper the methods of path planning are classi?ed into four classes:Template based,arti?cial potential?eld based,map building based and arti?cial intelligent based approaches.First,the basic theories of the path planning methods are introduced brie?y.Then,the advantages and limitations of the methods are pointed out.Finally,the technology development trends of intelligent mobile robot path planning are given. Key words:Mobile robot；Path planning；Arti?cial potential?eld；Template approach；Map building；Neural network; Intelligent computation 1引言 所谓移动机器人路径规划技术,就是机器人根据自身传感器对环境的感知,自行规划出一条安全的运行路线,同时高效完成作业任务.移动机器人路径规划主要解决3个问题:1)使机器人能从初始点运动到目标点;2)用一定的算法使机器人能绕开障碍物,并且经过某些必须经过的点完成相应的作业任务;3)在完成以上任务的前提下,尽量优化机器人运行轨迹.机器人路径规划技术是智能移动机器人研究的核心内容之一,它起始于20世纪70年代,迄今为止,己有大量的研究成果报道.部分学者从机器人对环境感知的角度,将移动机器人路径规划方法分为3种类型[1]:基于环境模型的规划方法、基于事例学习的规划方法和基于行为的路径规划方法;从机器人路径规划的目标范围看,又可分为全局路径规划和局部路径规划;从规划环境是否随时间变化方面看,还可分为静态路径规划和动态路径规划. 本文从移动机器人路径规划的具体算法与策略上,将移动机器人路径规划技术概括为以下4类:模版匹配路径规划技术、人工势场路径规划技术、地图构建路径规划技术和人工智能路径规划技术.分别对这几种方法进行总结与评价,展望了移动机器人路径规划的未来发展方向. 2模版匹配路径规划技术 模版匹配方法是将机器人当前状态与过去经历相比较,找到最接近的状态,修改这一状态下的路径,便可得到一条新的路径[2,3].即首先利用路径规划所用到的或已产生的信息建立一个模版库,库中的任一模版包含每一次规划的环境信息和路径信息,这些模版可通过特定的索引取得;随后将当前规划任务和环境信息与模版库中的模版进行匹配,以寻找出一 收稿日期:2009-08-30；修回日期:2009-11-18. 基金项目:国家自然科学基金项目(50775136)；高校博士点基金项目(20093121110001)；上海市教委科研创新项目(10ZZ97). 作者简介:朱大奇(1964?),男,安徽安庆人,教授,博士生导师,从事水下机器人可靠性与路径规划等研究；颜明重(1977?),男,福建泉州人,博士生,从事水下机器人路径规划的研究.
关于智能清洁机器人的商业价值 一、智能家居系统的发展前景 在许多人的概念里，智能家居系统这个词离我们的生活似乎异常遥远，只是存在于高科技展览会里的表演，或是富豪们向人们炫耀财富而展示的一种家居装饰,可是他们没有意识到的是，在我们生活的周围存在着很多智能家居的影子。所谓的智能家居系统一般包括安防、电话、影音、空调、灯光等等各个方面，一整套完整的智能家居系统可以满足自己居家的各种需求。随着科学技术的不断进步、人民生活水平的不断提高、人们生活质量也越来越好，人们追求高品质住房的要求也不断提高，而家居智能化概念的普及，智能化装修的观念必将深入人心，事实上，近年来智能家居系统已开始一步一步走进越来越多的普通家庭。家居智能化装修的选择必将是大势所趋。可以说，也许就在不远的将来，家居智能化必然是生活中一个最基本的要求，如果您家没有进行智能化装修，那将是一件让人感觉不可思议的事情。智能家居有未来，而且一定会很好的服务中国人民。消费者在享受智能化的时尚生活的同时也给他们带来简单、方便、快捷。 也许有的人不一定相信未来的家庭装修将是智能化的天下，但是从不同角度分析之后，这种怀疑将不复存在。一、从发展趋势上来说：根据十一五规划纲要的要求，国家着重强调了住宅建设要做好节能减排、绿色建筑、智能建筑的要求，中央也不断加大了财政与政策支持，提出了“到2010中国大中城市60%的住宅要实现智能化”这一发展目标。因此，住宅智能化必然会是未来住宅建设发展的趋势，而住宅的智能化即意味着家庭的智能化。同时，之前已经提到过，现代社会在不断地发展着，与此同时人们的生活水平与生活质量也在不断的提高，可是随着社会的发展，普通的家庭装修已经无法满足人们的日益增长的对于生活水平提高的要求，人们追求高品质住房的要求不断的提高，而家居智能化概念的普及，智能化装修的观念正好迎合了人们的需求，所以说，家庭装修的智能化必将深入人心，也必将是众望所归的。到那时，家居智能化必然是生活中一个最基本的要求，如果您家没有进行智能化装修，那么就好像现在您家没有安装宽带一样，让人无法接受。智能家居有美好未来，这将是毋庸置疑的。 二、以人为本：智能家居系统的产品与家庭的日常生活息息相关，功能单一化、操作复杂化的产品不是智能家居的最终归途，智能家居系统的产品未来的趋
第24卷 第5期 2008年3月 甘肃科技 Gansu Science and T echnolo gy Vol.24 N o.5M ar. 2008 基于AT 89C 51的智能清洁机器人设计 韩 珩,张 波 (沈阳化工学院,辽宁沈阳110142) 摘 要:设计一种基于AT 89C51的智能清洁机器人系统,介绍了机器人总体设计、各组成部分及系统软件设计。该系统包括主控模块、执行机构以及传感器模块等几个子系统,以通用性和功能完备为目标使机器人具备了智能清洁的能力。 关键词:清洁机器人;单片机;传感器;红外遥控中图分类号:T P242 1 机器人的总体设计 总体设计目标是设计一个具有自主清扫、避障、卡住报警、尘仓满仓检测等功能,能够在无人干预情况下自主完成室内清扫工作,也可以人为通过红外遥控器控制其状态的机器人系统。同时,为使机器人高效、可靠地完成作业,在其内部嵌入路径覆盖算法,使它脱离随机清扫的模式,能够记忆已走过的路径和遇到的障碍物位置,不遗漏地进行全区域清扫和不重复遇到同一个障碍物,实现高覆盖率、低重复率的清扫过程。 2 机器人的组成结构 机器人由5部分组成:系统主控制部分、执行电机部分、传感器部分、输入输出部分和电源部分。主控系统使用单片机AT 89C51控制,包括红外遥控接收模块,对输入输出器件的操作,对执行电机的控制,以及对传感器的响应等。执行电机部分是吸尘机器人的主要构成部分,包括行走驱动子系统和吸尘子系统。行走结构采用轮式结构,圆形壳体,底盘为三轮电动小车,前面两轮由两个电机独立驱动,后轮为万向轮。吸尘系统用电机带动清扫刷的转动,清扫灰尘并将灰尘集中于吸风口处,由吸尘机构制造强大的吸力将灰尘吸入灰尘存储箱中。在清扫吸尘之后,利用安装在壳体下面的清洁布擦除残留在地面上的细小灰尘。轮子电机、吸尘电机和毛刷电机使用的都是无刷直流电机;传感器部分即检测子系统,主要为了保障机器人能够安全地工作;输入输出部分包括遥控子系统和显示子系统,能够较好地实现人机交互的功能;电源部分采用可充电的12伏锂电池。 2.1 系统的主控部分 本设计选用了A TL 公司生产的89C4051单片 机作为控制器。AT89C51与其它各部分电路的关系为[1]:通过红外接收模块接收来自遥控器的命令;通过各个传感器接收外部环境的状态信息;通过2路PWM 信号给电机提供电压,控制轮子的速度和方向;由I/O 口信号控制三极管进而控制继电器驱动清扫、吸尘电机;通过捕获2个电机编码器信号检测轮速;通过多个I/O 口控制LCD;利用串口变并口芯片控制多个LED 指示灯和按键等。系统结构如图1所示。 2.2 执行电机部分 机器人的行进电机由驱动电路放大后驱动,考
0 引言 移动机构是清洁机器人的主体，决定了清洁机器人的运动空间，一般采用轮式结构。传感器系统一般采用超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器等构成多传感器系统。随着近年来控制技术、传感技术以及移动机器人技术等技术的迅速发展，智能清洁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。吸尘系统在原理上与传统立式吸尘器相同，主要是在结构设计上更多考虑结构尺寸、集成度以及一些辅助机构的合理布置和利用，以此来提高能源利用率和工作效率。本文主要研究智能清洁机器人测控系统的设计与实现，最终目标是通过软硬件的合理设计，使智能清洁机器人能够自动避开障碍物，实现一般家居环境下的自主清洁工作。 1 测控系统组成及功能 智能清洁机器人测控系统主要包括控制器核心系统、传感器系统和驱动系统等。其原理如图1所示。基于清洁机器人自身体积尽可能小的原则，本设计将控制器核心系统、传感器系统、行走驱动及相关电路集成在一块电路板上。为防止干扰，通过光电隔离器件将各模块在电气上隔离开来。利用超声波传感器、红外反射式传感器和接触传感器组成多传感器系统，检测信号经调理电路处理后送控制器；采用8位单片机SST89E554RC作为控制器，控制器对传感器信号加以判断，根据判断结果，选定相应的控制策略，并控制语音系统发出相应的报警信号；在相应的控制策略下，通过专用驱动器驱动直流电机，带动驱动轮，两轮独立驱动，实现避障功能；同时，控制器控制小型双风机真空吸尘系统对经过的地面进行必要的清扫。 图1 系统原理 该新型智能清洁机器人实验平台如图2所示，该平台为圆形结构，两轮独立驱动，具备完整的吸尘系统和电源系统等功能模块。最终将在该平台上对本文所介绍的测控系统的性能进行实验验证。
的标准偏差与最大峰谷值减少达到50%以上, 跟踪 精度有了大幅提高. 表3 抑振前后柔性臂跟踪误差值统计 项目 末端无负载 末端带55g 负载 标准偏差最大峰谷值标准偏差最大峰谷值 抑振前关节误差0. 12110. 8230. 20011. 254抑振后关节误差0. 07230. 2910. 08440. 574减少百分比 40. 28% 64. 64% 57. 82% 54. 23% 3 结束语 运用模糊控制方法, 通过实验实现了2R 柔性机械臂关节跟踪和跟踪过程中振动的主动抑制. 与传统控制方法相比, 该方法不依赖柔性机械臂的动力学模型, 算法简单, 实时性好. 对于非线性、复杂对象的控制具有响应快、有效性好等优点. 实验数据表明, 在整个实验过程中模糊控制能够较大幅度地减小振动, 达到较好的抑振效果; 同时跟踪精度提高, 跟踪效果有了大幅度提高. 参考文献: [1] Book W J, M aizza -Nett o O , Whitney D E. F eedback
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? 117 ? ELECTRONICS WORLD? 技术交流 本文主要结合相关的研究背景设计了一种水下清洁机器人，作为一种水下设备的清洁维护的机器人，保障水下设备的正常运行。文章首先在引言部分对本文的研究背景及意义进行阐述，然后重点提出了水下清洁机器人运动控制系统的总体设计方案，并对其运动模型进行设计和仿真。 1 引言 海洋开发逐渐向特殊领域以及高深度领域转变，难度越来越大，人力开发已经完全不能够满足开发的需求，机器人开发已经成为了新趋势。本文主要在此背景下分析和研究水下清洁机器人的运动控制系统的设计。本文设计的水下清洁机器人主要是用于对水下的一些大型设备，例如海底搜救设备、勘测设备、取样设备等进行水下维护和修复等，能够在水下特殊环境中对海底设备进行维护和处理，能够较大程度上的促进海底开发技术的发展。 2 水下清洁机器人运动控制系统总体设计 2.1 水下清洁机器人运动控制流程 本文设计的水下清洁机器人的控制系统主要由主机、控制算法、控制电路、指令转换、机器人载体、采样设备等组成，具体的控制流程为：主机控制算法进行水下机器人的动力分配，并结合指令转换算法进行整理转换，结合控制电路开启操控箱，下达操作指令，机器人载体接到命令驱动机器人进行采样，采集样本之后将样本信息传递到主机处理系统当中，进行处理。 2.2 模拟运动控制平台结构设计 水下机器人的运动控制平台主要包括六个部分：步进电机、云台、安装板、推进器、U型板以及轴承等。其中云台主要实现的是2自由度的运动，包括水平和横向两个方向。本文模拟的控制平台主要实现的是3自由度的运动控制，除了上述2自由度之外，还包括前后摇摆自由度。由于多了一个自由度，因此需要对运动进行定位，该运动平台的定位主要由带套轴承和法兰轴组成固定左侧，由带套轴承和电机轴固定右侧，右侧的电机由法兰固定，由此就设计出了一个6自由度的模拟运动控制平台（边宇枢，高志慧，贠超，6自由度水下机器人动力学分析与运动控制：机械工程学报，2007）。 2.3 地面操控台结构设计 地面操控台主要是对上述的模拟运动控制平台进行控制，地面操控台主要包括显示器、操纵杆、按钮以及指示灯等。其中操纵杆有2个，一个用来控制云台的摄像机，一个用来控制模拟运动平台，面板主要是结合人体舒适度进行设计，角度定为70°（裴文良，郭映言，陈金山，申龙，水下机器人的研发及其应用：制造业自动化，2018）。 3 水下机器人运动模型及仿真分析 该部分主要对上述设计的水下机器人的运动模型以及仿真进行分析： 3.1 水下机器人的运动学建模 为了便于我们对机器人参数和变量的统一管理，可以定义以下 状态变量： 其中 ，，即用η1和η2分别表示稳定系下水下机器人的位置向量和方向向量，用v1和v2分别表示动态系下水下机器人的线速度和角度，用τ1和τ2表示在动态系下作用于水下机器人的力和力矩向量。 水下机器人的速度变量由稳定系转换成为动态系，从而通过动态控制器实现对运动的控制，同时要获得水下机器人的静态位置和姿态就必须要将水下机器人的速度变量由动态系转换成为稳定系，从而得到水下机器人的位置矢量。由此可知，在研究水下机器人状态时，需要分析和研究机器人速度变量的动态和静态的转变。 3.2 基于神经网络的轨迹控制器 本文主要设计了基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，具体的控制流程如下：当机体接收到信号后，传递到控制器，再通过执行器作用于机体，做出相应的动作，机器人本身还具有抗干扰的功能。输出与控制器之间用RBF网络连接。（朱大奇，陈亮，刘乾，一种水下机器人传感器故障诊断与容错控制方法：控制与决策，2009） 3.3 水下机器人神经网络轨迹控制的仿真 结合上述设计的基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，采用MATLAB进行仿真如下。该控制器设计的目的是实现对水下机器人运动状态的识别和跟踪，通过分析水下机器人的水下运动情况，结合轨迹参考实现了未知动力学的局部精确逼近和部分神经网络权值的收敛，从而奠定一定的学习控制器基础。 结合神经网络的训练实验得到，在神经网络权值的训练过程中，一些神经网络的权值最终收敛，可以作为神经网络的常数权值存储。在自适应神经网络控制器的作用下，将被控系统未知动态分量的局部精确逼近。 水下清洁机器人运动控制系统设计研究 （下转第121页）
中央空调通风管清洁机器人 机器人创新设计 机制083 鑫 108011074 随着我国国民经济和城市建设的快速发展，中央空调已成为改善人们工作与生活环境的必备设施目前全国共有上百万台中央空调亟待清洁保养，其中相当一部分中央空调的通风系统从未进行过彻底的清洁，清洁面积大且纵横交错的中央空调通风管道已经成为长期的卫生死角，由此造成的室空气污染问题严重影响着人们的身体健康尤其在非典、禽流感、H1N1等疫情发生之后，人们对这一问题更加关注，政府也陆续出台了相关的清洁规，费时费力且清洁效果不佳的传统人工清洁方式已不能满足现实的需要，利用机器人进行清洁的空调清洁业正在悄然兴起，但就目前而言，中央空调风道清洁机器人市场却基本上被价格昂贵的外国产品占据，这些外国产品动辄几十万，多则上百万，使一般的企业难于承受。因此自主研发高性价比的中央空调风道清洁机器人对促进我国中央空调风道清洗行业的发展，改善室空气质量提高人民生活和健康水平等具有积极的意义。 在西方一些发达国家，中央空调清洁业已发展了几十年，形成了一个巨大的产业，有着比较成熟的清洁机器人技术。尽管国外清洗机器人技术先进性能优良，但由于不是针对国风道状况而设计，在清洁国的风道时往往效果不甚理想。国一些单位提出了自己的中央空调风道清洁机器人设计及方案，但面对国尺寸规格变化万千的风道，在适应性和清洁的彻底性方面还显欠缺针对上述实际问题，文中提出了一种新型的清洁机器人系统。 1 机器人总体方案 1.1 系统清洁方案设计 为节约建筑面积，国建筑物的中央空调风道绝大部分设计成扁平矩形截面，且尺寸规格属非标产品，给风道清洁带来困难。在进行风道清洁作业时，目前的清洁机器人需要经常更换不同尺寸的毛刷，操作繁琐，而且在两种不同尺寸风道的过渡处遇到毛刷与风道宽度不同的情况时必然会存在清洗死角，影响清洁效果文中设计的清洁方案采用横向俯仰二维运动拟合矩形清洁轨迹清洁风道，改变了现有清洁机器人只能作毛刷一维俯仰运动的现状，其工作原理如图1所示，该方案在毛刷旋转清洁风道时，如图1a中step1和step3所示，可以实现清洁臂的俯仰运动，同时还可以实现横向运动，如图1a中step2和step4所示。因而如图1b所示，机器人可根据风道大小对清洁臂俯仰和横向两个运动进行轨迹拟合，形成矩形清洁轨迹这样就使得清洁机器人在不更换毛刷的情况下，实现对不同尺寸风道的无死角清洁在保证风道部4个面上的每一个点均能被清洁毛刷清洁至少一次的前提下，将矩形清洁轨迹与机器人行进驱动电机的运动再进行拟合，如图1 所示，在横向俯仰二维运动拟合矩形清洁轨迹的一个周期，保证机器人行走距离s小于毛刷清洁宽度d，形成渐进式矩形螺旋清洁轨迹，实现对风道的无死角清洁。
0引言 移动机构是清洁机器人的主体，决定了清洁机器人的运动空间，一般采用轮式结构。传感器系统一般采用超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器等构成多传感器系统。随着近年来控制技术、传感技术以及移动机器人技术等技术的迅速发展，智能清洁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。吸尘系统在原理上与传统立式吸尘器相同，主要是在结构设计上更多考虑结构尺寸、集成度以及一些辅助机构的合理布置和利用，以此来提高能源利用率和工作效率。本文主要研究智能清洁机器人测控系统的设计与实现，最终目标是通过软硬件的合理设计，使智能清洁机器人能够自动避开障碍物，实现一般家居环境下的自主清洁工作。 1测控系统组成及功能 智能清洁机器人测控系统主要包括控制器核心系统、传感器系统和驱动系统等。 其原理如图1所示。基于清洁机器人自身体积尽可能小的原则，本设计将控制器核心系统、传感器系统、行走驱动及相关电路集成在一块电路板上。为防止干扰，通过光电隔离器件将各模块在电气上隔离开来。利用超声波传感器、红外反射式传感器和接触传感器组成多传感器系统，检测信号经调理电路处理后送控制器；采用8位单片机SST89E554R作为控制器，控制器对传感器信号加以判断，根据判断结果，选定相应的控制策略，并控制语音系统发出相应的报警信号；在相应的控制策略下，通过专用驱动器驱动直流电机，带动驱动轮，两轮独立驱动，实现避障功能；同时，控制器控制小型双风机真空吸尘系统对经过的地面进行必要的清扫。 圧样■更丽1障奎nbtll二^酉! 图i系统原理 该新型智能清洁机器人实验平台如图2所示，该平台为圆形结构，两轮独立驱动，具备完整的吸尘系统和电源系统等功能模块。最终将在该平台上对本文所介绍的测控系统的性能进行实验验证。