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1上海大学2013～2014学年秋季学期研究生课程考试（小论文）课程名称：机电工程基础课程编号：论文题目:智能清洁机器人的发展应用与前景研究生姓名:曾宁学号:13721455论文评语:成绩:任课教师:李朝东评阅日期:-1-智能清洁机器人的发展应用与前景曾宁（上海大学机电与自动化工程学院）摘要：清洁机器人又称智能吸尘机器人或自动吸尘器，它涉及到机械、电子和计算机等知识，是将移动机器人技术和清洁技术融为一体、仿人体清洁动作的高新技术产品。它不仅节省了劳动力资源，而且还解决了人类在复杂恶劣的环境之下不能持续工作的问题。近年来随着科技和社会的不断进步和发展，已受到国内外的重视，成为服务性机器人一个新的研究方向，也成为目前家用电器领域最具挑战性的热门研发课题。关键词：智能化；自动化；清洁机器人；应用领域IntelligentcleaningrobotapplicationandprospectofdevelopmentShangHaiUniversity,NingZeng,(Mechanicalandelectricalandautomationengineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)(Abstract:Cleaningrobotisalsocalledintelligentvacuumingrobotorautomaticvacuumcleaner,itinvolvesknowledgesuchasmachinery,electronicsandcomputer,mobilerobottechnologyandcleantechnologyintegration,theimitationofhumanbodycleaningactionofhigh-techproducts.Itnotonlysaveslaborresources,butalsosolvethehumaninthecomplexcan'tcontinuetoworkundertheharshenvironment.Inrecentyears,alongwiththeadvanceofscienceandtechnologyandsocietyandthedevelopment,hasbroughttotheattentionofthedomesticandforeign,tobecomeaservicerobotisanewresearchdirection,alsobecomethehomeappliancesisthemostchallenginginthefieldofthehotresearchtopic.Keywords:intelligent;automation;cleaningrobot;application一、绪论20世纪，人类取得了辉煌的成就，从量子理论、相对论的创立，原子能的应用，脱氧和杨核糖核酸双螺旋结构的发现，到信息技术的腾飞，人类基因组工作草图的绘就，世界科技发生了深刻的变革。信息技术、生物技术、新材料技术、先进制造技术、海洋技术、航空航天技术等都取得了很大的突破，极大的提高了-2-生产力。同时这些技术的发展，也对机器人的发展带来巨大的推理作用。随着工业技术的发展以及计算机应用的普及，人们越来越多的注意到机器人技术在工业生产中的地位。机器人已经被广泛应用，收受到越来越多的人的重视，机器人这一名词没有一个严格的统一而准确的定义。不同国家、不同研究领域的学者对于机器人给出的定义不尽相同。目前，一种广泛的定义是：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置，通过可编程程序动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。这个定义实际上指的就是工业机器人，工业机器人也是一种被社会广泛接受的一种机器人之一，并且创造了巨大的生产力。科学家对机器人的定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。二十一世纪是清洁环保的时代，中国新兴的清洗产业必将迅猛发展。当今，各种绿色、环保的清洗技术不断地推出，新型产品和机械设备不断涌现，清洗产业也几乎渗透到所有的工业领域，以及社会生活地各个方面，直至深入到人们的日常衣食住行中。人类生活水平不断提高的今天，无论从环境美化、节能增效、还是从人们精神生活需要的角度，清洁业的全面进步已经并正在成为市场经济发展不可缺少的推动力，能为社会环保事业做出不可忽视的贡献。二、机器人的发展过程20世纪20年代，“机器人”作为专有名词第一次出现。1990年，杰克作家卡雷尔查佩克编写一部幻想剧《罗沙姆的万能机器人》，，居中的机器人取名为Robot，英文Robot由此而来，我国翻译为机器人。1953年，为了满足生产先进飞机的需要，美国麻省理工学院辐射实验室将服侍技术和数字计算机结合起来，成功研制数控铣床。1954年，美国的GeorgeCDevol将连杆机构和数控机床的服侍轴连接在一起，设计了世界上第一台电子可编程机器人，并获得专利。1970年，机器人的研究得到迅速的普及，并且到了1980年，工业机器人在日本得到了真正的普及。之后随着自动控制理论、电子计算机和航空技术的迅速发展，人工智能开始于机器人技术结合，机器人进入了一个新的发展阶段。机器人技术的迅速发展，已经对一个国家的工业生产、太空和海洋探索，国防以及国民经济和人民的生活产生了重要的影响。对机器人的需求和机器人工业的迅速发展，使机器人技术形成了一门综合型性学科--机器人学。近年来，智能机器人的研究得到了越来越多的重视，已经从它的幼年时代转入了朝气蓬勃的青年时代，许多国家已经先后成立了机器人协会或学会，以机器人学科为中心的国际学术会议，如国际工业机器人会-3-议（ISIP）、国际工业机器人技术会议（CIRT）、国际科学技术发展协会（IASTED）主办的国际机器人与自动化学术讨论会以及国际电工电子学会（IEEE）主办的国际机器人学与自动化会议（ICR&A）等，每年或隔年举行一次，同时也出现了许多关于机器人研究的国际杂志。在我国，1985年已经先后在几个学会内设立了机器人专业委员会，我国人工智能学会智能机器人学会也于1993年成立，并成功举办了4次全国性的学术会议。1987年起，由中国电子学会、中国自动化学会、中国人工智能学会等9家单位联合举办的全国机器人学术讨论会每两年举办一次，各种刊物也相继出版发行。在我国，机器人学已经形成一定规模。三、智能清洁机器人的功能结构一般可以分为硬件和软件两部分构成。硬件部分包括识别环境、超快大脑和多功能本体。软体主要是自我学习。1.识别环境--各种传感器来实现（1）碰撞传感器碰撞传感器是使智能机器人有感知碰撞信息能力的传感器。也叫“限位开关”。（2）远红外传感器远红外传感器将外界红外光的变化转化为电流的变化，在电阻上产生电压，通过A/D转换器一反映为0-1023范围内的数值。外界红外光越强，数值越小。因此，越靠近热源，机器人显示读书越小。根据函数返回值得变化能判断红外光线的强弱，从而能大致判别出热源的远近。（3）光敏传感器光敏传感器其实是一个光敏电阻，它的阻值受照射在它上面的光线强弱的影响。大学版机器人智能机器人所用的光敏电阻的阻值在很暗的环境下为75KΩ.（4）麦克风麦克风是能够识别声音大小的声音传感器。（5）光电编码器光电编码器是一种能够传递位置信息传感器一，它由光电编码模块和码盘组成。（6）热释电传感器热释电传感器对移动的人体热源敏感，可以探测几米外的人体。机器人装上1个或几个热释电传感器后，你可以让他一看见你，就向你迎过来，让他跟着你走。-4-（7）连续测距红外传根器SHARP公司推出创新的连续测距红外传感器，测量范围为10cm-80cm，参加灭火比赛时，用它来找房间门非常棒。（8）数字指南针自主机器人的导航至今仍是世界性难题，借组数字指南针，可以使机器人辨别方向。（10）温度传感器（11）无线视觉传感器（12）红外壁障传感器（13）各种环境传感器：湿度传感器、烟雾传感器等等。2.超快大脑--各种处理器处理器通常指微处理器、微控制器和数字信号处理器这三种类型的芯片3.多更能本体--后面的机器人案列分析中将会提到4.自主学习各种机器人都有自己的“大脑”--处理器，那么每一种处理器，都有相应的编程软件。它的“自主学习”，其实是算法，也就是程序。现代控制理论有很多，比如“人工神经网络”，“模糊控制”，“专家系统”等等。可以自学的主要是“人工神经网络”。四、清洁机器人的工作原理和特点原理：该产品由微电脑控制，可实现自动导航并对地面进行清扫和吸尘，通过碰撞头实现对前方障碍物的躲避和绕过可以使所到角落得到清洁，同时两个超大边扫轮的设计，可使角落和地面扫的更彻底，更干净，两个清扫轮的相对旋转，更使得垃圾不会从机体底部溜掉，清洁更完善，同时清扫吸尘一体的双重作用，使扫起来的尘土更有规律和顺畅的进入垃圾收集盒内，并且通过在前轮和清扫轮动力箱内上安装光电传感器，可以使该机器人拥有自动防机体卡死和扫轮卡死的功能，当被卡住使其自动后退或关机，并在碰撞头上装有红外反射探测器，可自动判断前方是否悬崖，并自动绕开。特点：（1）扫地省时、省力、提高工作效率、能源利用率：整个清洁过程不需要人控制，减轻人的操作负担，人们可以利用节省的时间做其他有意义的事。（2）低噪音：小于50分贝，清洁房间的过程免受噪音之苦。（3）净化空气：内置活性碳、吸附空气中有害物质。（4）轻便小巧：轻松打扫普通吸尘器清理不到的死角。-5-五、智能清洁机器人测控系统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。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系统原理六、国内外清洁机器人的发展过程及现状目前在欧美日等发达国家,吸尘机器人开发较早,应用范围也较广,近些年,已经开发出多种面向市场的智能吸尘机器人。如日本产吸尘器、澳大利亚的V4吸尘机器人、瑞士三叶虫吸尘器、美国伦巴(Roomba)-6-吸尘器、韩国推出的ICLEBO。继国内全力推出KV8智能清洁机器人，各款清洁机器人都相继推出，功能也在不断的完善，虽然在反映灵敏度有些不如欧美，价格上却占了很大的优势，性价比是最高的的。符合我们中国国情，是我们的大众产品，也是受国内众多消费者青睐的最重要的原因。同时，很多高等院校也对清洁机器人作了很多的研究工作，并取得了很大的成果。但是我国在这方面的研究技术仍旧落后于欧美国家。七、清洁机器人存在的问题(1)目前,价格过高是严重影响清洁机器人打入家电市场的主要因素,为了大幅度降低其成本,必须