自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司(GM)投入使用。
70年代随着计算机和人工智能的发展,机器人进入实用化时代,日本后来居上。
80年代,机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感器控制的机器。
90年代初期,工业机器人的生产与需求进入了高潮期。
现在,机器人正向智能化发展,并以取得相当的成就。
1.1.2服务机器人联合国欧洲经济委员会0YNECE)2004年4月上旬公布的一份报告称,家用机器人市场开始起飞一一人类为了追求更舒适得生活环境于是发明创造了一系列可以代替自己劳动的机器人。
据联合国欧洲经济委员会(UNECE)及国际机器人协会联合调查显示,到2007年末,家居机器人数量将会上涨6倍,而且随着机器人的普及,其价格将会大幅下降。
报告同时预计,到2007年底,将有410万个家居机器人成为人类日常生活的左右手,其中自动真空吸尘机器人仍将占绝大多数。
这种自动真空吸尘机器人全身将安装超声波、红外等各种传感器及保护装置,通过这些设备,机器人可以测距离,识别及躲避障碍物,实现自动清扫的功能。
在过去的2年里,已经有至少5家厂家推出了智能吸尘机器人产品,但上海人学顾}学位论文它们都有一个特点,就是价格比较高。
而国内的同类型产品成本相对低廉一些,这与现在市场上的普通吸尘器的价格相比,其在竞争上就具有很大优势。
吸尘机器人的发展。
也带动了整个家庭服务机器人行业的发展,也促进了机器人移动路径规划技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。
1.2智能清扫机器人关键技术研究影响自主智能吸尘机器人工作性能的因素有两方面:吸尘系统和智能控制系统。
由于其完全的自主性,所以工作过程应该是自主识别环境,自主动态吸尘,自主续充电源。
而这些控制功能的实现主要依靠的是机器自身的传感系统。
通过采集外部环境信息和机器内部状态信息确定行为方式,并借助于人工智能进行决策。
所以智能机器人系统包括移动机构和感知机构。
移动机构是吸尘机器人的本体,决定了吸尘器的运动空间,其动作的稳定灵活性、准确可操作性将直接影响移动机器人整体性能。
智能机器人的感知系统一般用传感器探测环境、分析信号,以及环境建模,对于工作在复杂结构环境中的自主式移动机器人,要进一步提高其自主程度,主要依靠障碍物识别、实时数据传输及相关的人工智能方法,从而为机器人获取全局信息提供可靠的保证。
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、路径规划技术、吸尘技术、电源技术等。
1.2.1传感器技术信息采集系统的首要部件是传感器,且置于系统的最I;{『端,因此,传感器有着极其重要的作用。
清扫机器人在工作时需要实时地检测自身状态信息和收集外界环境信息,以控制自身状态、建立环境地图、自主导航和定位、避障、进行路径规划,感知环境区域,检测清洁效果等。
通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器【Il。
其中内部传感器中编码器用于确定当前机器人的位置;陀螺仪测量移动机器人的角度、角速度以得到机器人的位姿角、运动方向。
外部传感器中有超声及红外测距传感器,由于超声波传感器探测距离远,范围大,所以超声波传感器测量常用于机器人工作环境中障碍物的距离信息和地图构造等。
红外距离传感器分辨率高无盲区,探测距离近,响应时间快于超声传感器,所以红外传感器多用于机器人的局部无碰撞导航,在实际使用中两者可联合互补使用。
激光雷达可以进行定位和环境建模,但提供的信息不全面,且价格较高。
而CCD器件可以提供类似人类的视觉信息、目标识别等,但由于图像处理的2上海大学硕E学位论文数据算法繁杂,所以在机器人视觉方面的应用有限。
清扫机器人工作过程中,往往需要多种传感器同时工作并进行数据融合才能获得精确的信息以确定机器人的工作状态及定位信息【2】。
1.2.2电源部分移动电源在智能清扫机器人中有着非常重要作用,移动机器人由于其移动性,其能量的提供可以采用拖连电缆和移动电源。
拖连电缆一般适用于遥控机器人的通讯、控制、电源信号传输。
而清扫机器人则需要安装移动电源。
电源的重量仅次于电机,所以电源的位置对机器人的移动性能产生很大的影响。
放置电源的要领是位置应该比较低,而且让车轮能够直接承受它的重力。
移动电源需要同时满足吸尘机器人的多种能源需要,为控制电路提供稳定的电压和为吸尘操作模块提供能源等。
因此其电源必须采用高效、高能量的蓄电池。
由于清扫机器人的结构空间所限,所以还要必须选用轻便,空间占用小的电池同时要保证一次充电可以连续不问断工作几个小时。
电池型号的选择电池分为一次电池和蓄电池:一次电池不能充电反复使用。
锰干电池和碱干电池的放电特性如图1.1。
随放电时间加长,电压呈S形曲线下降。
与碱干电池比较,锰干电池的容量更小,仅适用于小电流、间歇工作状态。
碱干电池的容量和价格基本上是锰干电池的两倍,适合相对稍大电流的工作条件。
总之,一次电池无法提供过大的输出电流,对电机的速度和电压进行适当的限制是必要的。
防止在放电一段时间后由于电压和电流下降,可能发生CPU清除复位、机器人速度下降等问题。
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51.41.31.21.11.00.90。
8O.7OlO203040f;O6070持缝璧季埘,|-图1.1锰干电池和碱干电池的放电特性蓄电池可反复充电,反复使用,因此,从长远看仍较经济便宜。
一般选用3上海』=学硕}学位论文的电池为Ni.Cd或者Ni.MH的电池,蓄电池中有铅酸电池、银锌电池、镍镉电池和镍锌电池等。
现在用铅酸电池的吸尘器,虽然电压高、寿命长、可高比率放电、价格低,结构简单可靠、工艺成熟,但能量密度低,已经逐步淘汰出市场。
Ni.Cd的特点是可以采用很高倍率的电流放电,而且对温度的适应性很强,稳定而且便宜点。
缺点是不环保,含Cd元素污染很大。
且由于化学反应,蓄电池会产生记忆效果。
而Ni.MH突出的优点就是绿色环保,Ni.Mh电池的容量是Ni-Cd电池的2倍,它与Ni.CA电池的使用方法相同,所以使用起来非常方便。
在如今环保呼声越来越高的大环境中,特别是发达国家,Ni.MH电池将是今后的焦点。
锂电池电动势高、能量密度高、工作温度范围大、自放电少,正逐步走向实用化。
1.2.3吸尘器部分室内清扫机器人清扫房间的主要是由封闭在壳体中的小型真空吸尘器完成的,在原理上与传统立式吸尘器相同,但考虑到机体的结构尺寸,所以其集成度较高。
其中的真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体内形成真空,利用产生的强大气流将尘埃和脏物通过吸口吸入机器人机体内的集尘盒中。
吸尘系统包括滤尘器,集尘盒,排气管等。
在吸尘器爬行的过程中、通过底盘上开的吸槽将扫过的地面的灰尘吸人集尘盒。
其吸尘能力取决于风机转速的大小。
此外室内清扫机器人还可以利用机体边缘安装由电机驱动的毛刷,在机器人运动的过程中,毛刷将垃圾灰尘扫入机器人机体下面,由吸尘系统收集。
澳大利亚Jetfan公司曾开发出采用新原理的气流滤尘器,这个吸尘器是一个全封闭系统,既无外部气体吸入,也无机内气体排除,所以就无需滤尘器、集尘盒、等附件。
其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体。
最后将沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内【31。
1.2.4导航定位和路径规划路径规划是自主式移动机器人导航的基
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