居家清扫擦洗室内环境卫生智能机器人设计开题报告
2020-04-25 08:04
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 近年来，随着人工智能与计算机技术的迅猛发展，智能机器人及其控制技术逐渐成为现代研究领域的热点。其中，智能服务机器人开辟了机器人应用的新方向。服务机器人的飞速发展主要有三个原因：一是逐年上升的劳动力成本；二是人们希望摆脱清洁、家务以及照顾病人等枯燥乏味的体力劳动；三是严重的老龄化现象和日趋完善的社会福利制度也为某些类型的服务机器人提供了广泛的市场发展方向和应用前景。目前,随着自动化技术的快速发展,以工业机器人为核心的自动化装备已经遍及到机械生产的各个领域,特别是在焊接方面[1]。而服务机器人区别于工业机器人的一个重要特征就是服务机器人的机器人系统可以适用于具体的方式、环境及任务进程，其对于活动空间的高要求和在非结构环境下的移动需要使得大多数服务机器人都属于移动机器人[2]。智能清洗机器人按移动方式又可分为轮式、履带式、步行式和蠕动式等[3]。集机械学、计算机技术、电子技术、测控技术、传感器技术、人工智能、机器人技术等诸多学科为一体的具有自动地面清洁功能的吸尘式家庭服务机器人，作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于 20 世纪 80 年代，迄今为止已经有了突破性的进展。 从1987 年开始, 上海大学率先从事爬壁清洗机器人的研究。其特种机器人技术应用研究室开发了多层框架、多真空吸盘式爬壁清洗机器人系列[4]。1999 年初，浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人[5]。 清洁机器人的研究涉及到机构学、运动学、导航和路径规划等关键科学问题,在服务机器人方面是近年来国内外学者重点研究的领域之一[6]。在学术界，研究人员为家庭环境开发了许多机器人，如Johnny，European CompanionAble项目的Hector，IRT的家庭助理机器人和Hobbit机器人[7]。这些机器人集映射，导航，物体识别，语音识别，语音合成和对话管理等各种功能于一身。但是它们与智能家庭的联系还不够紧密，他们的听觉受限于语音识别，并且不能识别家庭环境中的其他声音[8]。最近，来自工业界和学术界的研究实验室正在开发各种智能家居，致力于打造一个与智能传感器网络、智能家电、通信模块以及无处不在的计算和显示设备集成的智能家居平台。比如，目前飞利浦，思科，GTE，Sun，爱立信，三星，谷歌和微软等公司已有多个关于智能家居的研究项目，如Aware Home Research Initiative（AHRI）项目，Gator Tech Smart House，Adaptive House 和CASAS智能家居[9]。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 整个智能家居清扫服务机器人系统由执行机构、机械臂本体，智能移动机构，控制系统这几大部分组成，而机器人的本体结构是实现各项不同功能至关重要的基础[10]。首先需要了解机器人的基本设计原则和设计步骤，然后查阅国内外相关资料，确定机器人在不同时刻的运动的状态下的技术参数之后，对比不同结构类型，分析每种结构的工作特点，选择合理的结构形式。接着设计各个部分具体的传动方案，并作出简单的示意图。最终提出清扫机器人的总体布局以及传动原理简图，如下图所示。
总体设计方案简图 清多功能智能清扫机器人有两种位置控制方式，其中一种是点到点的控制，另一种则是预先规划的连续路径控制[11]。而所谓多功能就是指能够实现多种不确定的作业，故而不管是预知一个点到另一个点的移动还是沿指定的路径进行清扫，都能通过变换机器人末端的接口而达到预期目标。因而首先需要根据功能需求确定机器人的相关技术参数，才能进行后续的设计。下表为初定技术参数。 机器人主要技术指标
本设计中的参数设置和状态优化都采用模块化设计的方法来实现。通过示教盒和操作面板，我们不仅能够离线编程，还可以实现人机互动。机器人关节的动作由伺服电机来进行控制，伺服电机可以控制机器人动作的速度和位移，为了实现高精度控制，通常需要采用闭环的控制方式[12]。另外，控制器可以对各种输入输出信号进行处理并发出反馈信号等，以保证机器人正常动作。若控制器和伺服系统要完成良好通讯，还需要采用适合的总线方式[13]。
控制系统基本构成示意图 在关节型机器人各关节运动的控制过程中，由于其分析换算计算量大而且繁杂，因此采用示教器的方式记录其运动过程及环境参数，并且将示教盒所指定的运动方式保存在总控制器中[14]。然后通过传感器反馈的信号，检测是否运动到特定位置[15]。经过总控制器的整体分析后，各关节转动的角度将被发送到控制器1和控制器2。其中伺服电机1、2、3由控制器1进行控制，4、5、6三个伺服电机由控制器2控制。系统框图如图所示。
控制系统框图 |
3. 研究计划与安排
第1—3周：查阅文献，了解毕业设计意义和内容，拟定居家清洁机器人总体、动力传动和机械手技术方案，完成开题报告和相关英文翻译；
第4—12周：完成方案细化、分析计算、结构和控制设计，完成机器人动力传动原理图、总体联系尺寸图、机械手装配图及零件图绘制；
第13—14周：完成毕业设计论文及图纸修改；
4. 参考文献（12篇以上）
[1]刘畅. 车身焊接工业机器人的路径规划及仿真[d].沈阳工业大学,2017.
[2]李瑞峰,孙笛生,阎国荣,刘广利.移动式作业型智能服务机器人的研制[j].机器人技术与应用,2003(01):27-29.
[3]周利坤,刘宏昭,李悦.清洗机器人研究现状与关键技术综述[j].机械科学与技术,2014,33(05):635-642.
