基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计 些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。考虑安全因素，吸尘机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须具备自我保护能力。
1.1.3 吸尘机器人的关键技术
吸尘机器人系统主要由五个部分组成：移动机构、传感器系统、控制系统、吸尘系统和电源模块。对吸尘机器人的研究涉及到机器人的机械结构设计、障碍物检测、自主避障、运动控制以及路径规划、导航定位等多个方面。目前，关于吸尘机器人移动机构、控制系统、吸尘系统等的研究已经具备了良好的基础。要提高清洁机器人的自动化程度和清洁效率，还必须在障碍物检测、自主避障以及路径规划等方面做大量工作。对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：传感器技术、自主避障技术、路径规划技术、吸尘技术等。
（1）传感器技术
传感器系统是机器人的感觉器官，负责采集外界环境和自身状态的信息。根据采集 信息的种类可以分为内传感器和外传感器。内传感器负责采集系统自身状态的信息，包 括编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器负责采集系统外部信息,包括CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器等。超声波、红外传感器和接触传感器，具有价格低廉、 工作可靠、 速度快的优点，广泛应用于机器人的局部无碰撞导航。
一般吸尘机器人的传感器系统都配备不止一种传感器，而是根据任务要求和非结构化环境特点，选择多种合适的传感器，安装在机器人本体合适的位置，联合构成多源传感器系统。其主要优点就是在同样的探测条件下，可以协调使用多个传感器把分布不同位置的多个同质或异质传感器所提供的局部不完整探测量及相关数据库中的相关信息加以综合，消除多传感器间存在的冗余和矛盾，并加以互补，从而获得对物体或环境的一致性解释和描述，这都是任何单一传感器所无法获得的。 （2）自主避障技术
移动机器人自主避障技术的研究一直受到广泛关注，到现在已经有多种自主避障方法被提了出来，这些方法总的来说可以分为两类，即全局规划方法和局部控制方法。清洁机器人多在非结构化环境下工作，面对的是未知、复杂的环境，因此，局部控制方法得到了更多的应用。局部控制方法不需要建立环境模型，机器人所要做的也仅仅是一些相对简单的任务。但是，由于机器人没有建立和读取高级环境地图的能力，所以有时候 并不能保证百分之百完成任务。在这种情况下，为了保证较高的工作效率和安全系数， 需要有更多的探测工具来获取更多的环境信息。
- 2 -
基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计 吸尘机器人一般工作在未知、复杂的环境下，对于工作环境中各种静态和动态障碍 物，机器人不仅能够识别和避让，还要保证不对自身和障碍物造成伤害。吸尘机器人依 靠传感器系统（涉及到多种传感器，如超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器等 低成本但实用的传感器，以及CCD摄像机、激光雷达等高成本传感器）获得工作环境 下的各种静态和动态障碍物信息，然后由控制器对获得的障碍物信息进行判断，再根据 避障控制策略和算法做出合适的避障决策以避开障碍物。
如何获取障碍物信息是吸尘机器人自主避障技术研究的主要内容之一。作为家用吸尘机器人，自主避障就是要解决对行走路径上出现的障碍物的自动避让问题，这时需要获得的信息是机器人与障碍物之间的距离和障碍物相对于机器人的方位等等（这里所说的方位是指障碍物相对机器人的位置，比如机器人右侧30度方向）。距离信息可以通过测距传感器（如超声波传感器）获得，方位信息可以通过在机器人周边固定方位按照定性探测传感器（如红外光点传感器）来获取。当然还有其它的方法可以利用，在这里不作讨论。
避障控制策略和算法设计是清洁机器人自主避障技术研究的另一主要内容。吸尘机器人避障行为的成功与否与避障策略和算法的好坏有着莫大的关系。因此，设计避障控制策略和算法时，应尽量采用简单的数学模型，本着简单、可靠和稳定的原则，保证机器人在行走过程中能有效避开障碍物。J. Borenstein, Y. Koren 等人提出势场法避障方案势场法将每一个障碍物都用一个二维的笛卡尔栅格来表示，目标位置对移动机器人产生一种虚拟的吸引力，而障碍物对机器人产生一种虚拟的排斥力，这两种力的合成就决定了移动机器人的运动。然而，势场法有其自身的缺点，如存在陷阱区域，在相近障碍物之间不能发现路径等。吴海彬等人提出基于绕障的避障算法，遇到障碍物时，机器人围绕障碍物行走，每直线行走一段距离后，向障碍物方向转过一定角度，直到回到遇到障碍物之前的行进路线上。该种方法的优点在于机器人在避开障碍物之后，能够回到原来的行进路线上，有力保证了行走路径的规则性，提高清洁效率。但是其对驱动控制的要求很高，数据计算量大，对于不同形状和大小的障碍物，存在一定的误差。 自主避障技术是清洁机器人智能化的重要体现。本课题将从以上两个方面着手，应用模糊控制理论，研究基于多传感器信息的清洁机器人自主避障技术。 （3）路径规划技术
路径规划技术是移动机器人技术的一个基础而重要的问题，目前对这一问题的研究十分活跃。吸尘机器人的路径规划具有“遍历”的特点，在封闭区域内,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，并且实现机器人的行走路径对工作区域的最大覆盖率和最小重复率。吸尘机器人的路径规划方法可以分为两类：无
- 3 -
基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计 环境模型的规划方法和基于环境模型的规划方法。 （1）无环境模型的规划方法
目前定位和环境建模还处于探索阶段,所以广泛使用无环境模型的规划方式:随机工作式和随机+局部遍历规划的方式。 随机工作方式基于这样的前提:时间足够长的条件下,机器人的行走路径可以完全覆盖工作区域。如韩国LG公司研制的清洁机器人Roboking就是采用随机工作方式。而随机+局部遍历规划的方式是在缺少全局环境地图和全局定位能力的条件下，在局部范围内进行遍历性质的路径规划。这种方式对定位能力和环境建模精度要求低，但是覆盖率较高，重复率较低，浙江大学机械电子研究所在研制清洁机器人时就是采用这样的方式。 （2）基于环境地图的规划方法
在理想条件下,基于环境模型的全局规划方式具有最大的覆盖率和最小的重复率。但是如上所述，定位和环境建模技术还不成熟，所以全局规划的研究还主要处在理论分析阶段。使用的方法主要有以下几种：
单元分解法：将工作区域分解成相同形状和尺寸的单元，按照一定的方法确定单元的访问顺序，从而产生一个最优或者近似最优的全局路径。
行为模板法：在环境地图已知的前提下，将机器人的行为划分多种固定的模板,根据实际位置和具体环境特点选择合适的模板，最后实现遍历路径。实验表明覆盖率可以达到85%。
神经网络法：将工作区域分解为神经单元，利用神经网络方法进行全局遍历路径规划以及障碍物周边区域的覆盖问题的研究。
平面扫描法：在工作环境中设置一个工作起始点，机器人由此点开始直线往返行走工作。随着工作的进行，因为障碍物的存在，会出现数个空区域，在这数个空区域内再设置起始点，机器人总是寻找新的起始点，并从此点开始工作，直到把所有区域都遍历。
另外还有诸如人工势场法、栅格法等很多路径规划算法。 （4）吸尘技术
吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下。吸尘器能除尘，主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒500圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接管、弯管、
- 4 -
基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计 软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，再由机体尾部排出。
目前民用吸尘器主要分为以下几大类：
（1） 卧式吸尘器：在亚欧市场较为常见的吸尘器类型，占整体市场的80%以上。其特点是外形小巧，存放方便。卧式吸尘器也分为“尘盒式吸尘器”和“尘袋式吸尘器”；
（2） 立式吸尘器：美洲市场较为常见，适用于大面积的地毯清洁；
（3） 手持式吸尘器：体型小巧，携带及使用非常方便，主要用于车内的清洁，对键盘，电器等也有良好效果。缺点是功率较小，吸力不够强劲；
（4） 桶式吸尘器：商用吸尘器，多为保洁公司，酒店，写字楼所使用，特点是容量大，能吸水；
（5） 杆式吸尘器：近几年逐步增多，多为充电式，特点是体型小巧，使用方便； （6） 机器人吸尘器：高端吸尘器，可自动打扫和充电，但清洁效果有限，适合本来就很干净的家居环境；
（7） 中央吸尘系统：高端吸尘器，它是将吸尘主机放置在主要生活区之外的场所，如：地下设备层、车库、清理间等，将吸尘管道嵌至墙里，在墙面只留小而美观的吸尘插口，当需要清理时只需将一根软管插入吸尘口，此时系统自动启动主机开关，全部大小灰尘、纸屑、烟头、有害微生物，甚至客房中的烟味等不良气味，都经过严格密封的管道传送到中央收集站。任何人、任何时间都可以进行全部或局部清洁，确保了最清洁的室内环境。其清洁处理能力是一般吸尘器的5倍，而软管长度可任意选配，该类系统在欧美国家已是必配系统，在国内已有部分高档楼盘采用了此先进技术。
吸尘器的原理与结构： （1）吸尘原理
吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下，将叶轮中的空气高速排出风机，同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机。这样不妨与外界形成较高的压差。吸嘴的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘部分，并经过漏器过漏，将尘埃、脏物收集与尘筒内。 （2） 吸尘器的原件
所有吸尘器都配有一个组装刷头，供清理地板及地毯是用。吸力式吸尘器还会配备一系列的清洁刷及吸嘴，以便清扫角落、窗帘、沙发和缝隙用。
喉管：所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管，用来连接清洁用的软喉管及附件； 电动刷：内式吸尘器的清洁头，是混合式吸尘器特别有的配件； 圆刷头：也较小吸嘴，可做360度回转，方便清洁家具、精细网织物等；
- 5 -
相关推荐：
loading