服务型机器人研究进展.docx

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1、服务机器人的研究进展摘要：在近几年服务机器人的发展速度很快，出现了很多种类的先进机器人，应用非常广泛，在一定程度上提高了人们的生活质量。文章首先介绍国际上对服务机器人的定义以及服务机器人的产生背景，分析了欧美，日本，以及国内服务机器人的研究进展，经过对比，指出了国内服务机器人研究的不足。并对几种典型的服务机器人：清洁机器人、助老机器人、烹饪机器人、幕墙清洗机器人的结构、工作原理、特点、性能进行简要的说明，阐述当前服务机器人研究领域的关键技术一一传感技术和控制技术。最后展示服务机器人的研究趋势，未来智能服务机器人技术将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。关键词：服务机器人；关键技术；路径规

2、划；工作模式；人工智能中图分类号：TP242The Research Progress of Service RobotsAbstract： In recent years the development speed of service robot change very quickly, there are many kinds ofadvanced robot, which is widely applied in a certain extent, improved peoples quality of life. This article first describes theint

3、ernational definition and development prospects of service robots, analyses the current situation of service robot research at homeand Europe, America, Japan, by comparison, points out the limitations of the home service robot study. And also analyses thestructure, working principle, characteristics

4、 and performance of some typical service robots, cleaning robot、helpage robot、cookingrobot metope cleaning robot, And introduces the key technologies in the fields of the current service robot research -sensingtechnology and control technology. Finally, the direction of development and research tren

5、ds of service robot in the future is showed.The future intelligence service robots technology will develop along the autonomy, intelligent communication and adaptability threedirections.Key words ： Service Robots Key technology Paths planning Work pattern Artificial intelligence0.3研究意义0前言o.i定义服务机器人目

6、前处于早期阶段，国际机器人联合会对服务机器人的定义是：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它从事的服务可是人类生存的更好，使制造业以外的设备更好地工作。德国生产技术与自动化研究所（IPA）对服务机器人所下的定义是：服务机器人是一种可以自由编程的移动设备，它至少应有三个运动轴，可以部分或全自动地完成服务工作。这里的服务工作不是只为工业生产而从事的服务活动，而是为人和单位完成的服务工作。服务型机器人是为人类服务的特种机器人，主要从事家庭服务，维护、保养、修理、运输、清洗、监护等工作。0.2产生背景随着传感和控制技术、驱动技术以及材料技术的进步，在服务行业实现运输、操作及加工自动化已具备了必

7、要的条件，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。专家们预测，服务机器人的数量将会超过工业机器人。目前世界各国正在努力开发应用于各自领域的服务机器人，公共事业及环保机器人、物体及表面清洗用机器人、在难以接近的地方进行维护检查机器人、安保及送信用移动机器人等服务机器人不断出现服务机器人在某些情况下可以有一个移动平台构成，上面装一只或数只手臂。服务机器人的控制方式与工业机器人手臂的控制方式相同。对服务机器人评价的内容包括：能否完成人所不能完成的任务;它的使用是否有意义或对人有所帮助；能否改善人的生活质量，并完成繁重的家务劳动等。1发展历程1.1 欧美发展概况欧美国家在服务机器人产品研制开发方面起步较早

8、。1982年荷兰开发一个装在茶托上的实验用机械手RSI,主要完成喂饭和翻书，这个项目对后来的轮椅机械手Manus有很大的影响。Manu s开始于1984年，它的臂包含5个自由度，经过几年的测试后，由荷兰的Exact Dynamics bv公司生产并投入市场。1987年,英国人Mike Topping研制了Handy 1康复机器人样机，使一个患有脑瘫的6岁男孩第一次能够独立就餐。它属于工作站式机器人，在已知的环境中，机器人按操作要求，从相应的物品架上抓取所需物品。20世纪90年代初，欧盟提出了TIDE计划，旨在促进帮（assistive）技术研发,以满足社会和工业要求，改进残疾人和老年人的生活质

9、量，提高欧洲服务业市场的发展水平。进入21世纪，法国国家科学院、德国联邦研究协会分别提出Robea、GURP计划积极推动服务机器人的研究131 o美国家用服务机器人的研发也起步较早，并已推出部分代表性的产品。其中一-种叫“护士助手”机器人，已经在医院和家庭使用。美国Stanford大学开发的M0VAR机器人，可以穿行到各个房间，机械手上装有力传感器和接近觉传感器以保证工作安全可靠。这类机器人一般工作在未知环境，由于在未知环境下控制的复杂性以及控制成本等原因，这类服务机器人大多处于研究开发阶段。1.2 日本概况口本对机器人技术的研发一直非常重视。口本是世界上公认的机器人大国，从传统的带机关的人偶

10、，到现在高仿真的机器人，都标志着日本科技的发展。最近本田公司又研制出新型的机器人“阿西莫”。作为最新一代的仿真机器人，“阿西莫”能够像人类一样跑步、上楼梯、甚至为客人端茶送水。口本是世界公认的机器人大国，而其机器人技术的基础或许正是传统的机关人偶制作技艺，“射箭童子”等就是机关人偶的代表作。以齿轮和发条为动力，端坐在分子上的童子能把摆在面前的箭依次搭到弓弦上，射到数米外的地方卬。1.3 国内概况我国在服务机器人领域的研发起步较晚。1995年清华大学开发了一个七自由度移动式护理机人，以高位截瘫作为护理对象，目标是在无人看护的情况下替患者完成取药、送水、翻书等工作。近年来，在国家863计划的支持下

11、，我国在家用服务机器人研究和产品研发方面已开展了大量工作，并取得了一定的成绩。哈尔滨工业大学研制的“导游机器人”、“迎宾机器人”、“清扫机器人”令人耳目一新卬。华南理工大学机器人研究室成功研制出了一张机器人护理病床。但总的来说，我国目前在服务机器人方面的产品仍然很少，技术不够成熟，与发达国家的服务机器人产业仍有较大的差距。2典型机器人一Roomba清洁机器人2.1 机器人简介Roomba清洁机器人英文名称为“Roomba”，中文为“伦巴”，是由美国iRobot公司生产。Roomba可以完全钻到家具底下，这是人和直立式吸尘器所不能做到的。由于Roomba的高度仅为9厘米左右，可以轻松地钻到大多数

12、茶几、床头柜、床和一些沙发的下面进行清洁。2.2 结构Roomba的直径约为33厘米，高9厘米。Roomba用可充电的馍氢电池供电。Roomba电池的功率是3安培小时，需要约七小时才能完全充满电（约18伏）。一些较新的Roomba型号已经将充电时间缩减为三小时左右，完全充满电后大约可清扫两小时。它的机动系统主要由两只电机驱动的履带轮组成,Roomba通过改变各轮的供电进行转向。Roomba共有五个电机：每只轮子由一个电机驱动（共2个电机）一个电机驱动吸尘器一个电机驱动旋转边刷一个电机驱动鼓风组件。如图1图1机器人结构图3底盘上的刷子2.3 工作原理Roomba使用先进的iAdapt（TM）技术

13、，这是一个由软件和感应器组成的专利系统。iAdapt（TM）让Roomba可以主动对清扫环境进行监测，每秒钟思考次数超过60次，并且能够以40种不同的动作进行反应，以便彻底清扫房间。（1）、能满足最根本的清洁要求（2）、能适应不同的家具摆设格局（3）、能探测到污垢并且反复进行局部清理（4）、清洁沙发底部、床底等人工不便打扫的区域（5）、能有效清洁角落、墙边和家具边缘（6）、防缠绕功能可轻松摆脱电线、流苏等障碍物2.4 三段式清扫技术Roomba具有世界上独一无二的三段式清扫技术，它可以同一时间开展三个部位的工作，以获得最佳清洁效果。（1）边刷沿着边缘和角落清扫（2）强有力的吸尘口带有滚刷可将碎

14、片、灰尘和毛发等细小垃圾吸入。如图2（3）两个刷子不停地同步向内转动，将各种垃圾卷到垃圾盒中。如图3滚刷轴公,JUOAM WN Li 图2滚刷结构示意图2.5 清扫模式自动模式：Roomba自动计算整个房间大小并相应地调整清扫时间。局部模式：这是一种快速、集中的局部清扫方式。Roomba会在直径大约1米的圆形区域内进行螺旋式重点清扫。2.6 路径规划方法2.6.1 无障碍路径规划清洁机器人从停放的位置开始工作，采用沿边走的路径算法，按照内螺旋式“网”字型路径进行清洁。对所走过的路径及时的进行标记并自动确定前进的方向，直至全部清扫完毕自动返回。如图4所示图4 “回”字型走法示意图2.6.2 避障

15、路径规划清洁机器人工作环境中通常存在障碍物，为了保证机器人正常工作，机器采用沿边走的算法来指导局部规划中的避障行为，其核心在于沿内螺旋式“回”字型路径行走的过程中判断障碍物并进行避障。避障路径规划过程中，通常有如下几种情况：（1）将非线性不规则障碍物规则化，均按照矩形处理.，即用包络法做不规则障碍物矩形边界。（2）靠墙安放的障碍物。对于墙边存在的障碍物，如衣柜、沙发等，通常将其作为墙壁处理,清洁机器人在工作时沿此障碍物边缘走。(3)非靠墙安放的障碍物。机器人在行走第一圈时不会碰到障碍，但在传感器的测量范围内，因此会记录到障碍物链中。对于这类障碍物采用沿墙壁的方向绕开即可。(4)清洁机器人行走过程和碰撞后的角度调整。清洁机器人每走完一圈，经历四种不同的方向。因此，每次转向都进行坐标和角度的调整和判断。如图5图5碰撞后角度调整示意图3典型机器人一助老机器人目前，全世界人口的加速老