服務(wù)型機器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

1、服務(wù)型機器人技術(shù) 應(yīng)用現(xiàn)狀與前景課程名稱：機器人技術(shù)任課老師：張燕學(xué)院：園藝園林學(xué)院專業(yè)：園藝（花卉與景觀設(shè)計方向）班級：09級（1）班姓名：熊天智學(xué)號：20090203310024服務(wù)型機器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與前景（海南大學(xué)園藝園林學(xué)院 熊天智）摘要：現(xiàn)代機器人的誕生標(biāo)志著人類關(guān)于智能機器的夢想開始變成現(xiàn)實，這對人類社會來講是一場革命?，F(xiàn)在，各種類型的機器人正逐漸進(jìn)入人們的生產(chǎn)和生活，對人類社會產(chǎn)生著日益重大的阻礙。服務(wù)型機器人是作為機器人類型中最為有用而最貼近生活的存在，作為服務(wù)型的機器人有室內(nèi)辦公環(huán)境服務(wù)型機器人、娛樂場所服務(wù)型機器人、家用服務(wù)型機器人等。今后的進(jìn)展與應(yīng)用前景大好、潛力巨大。

2、關(guān)鍵詞：服務(wù)型機器人 技術(shù) 應(yīng)用 進(jìn)展前景Application Situation and Prospects of Service Robot Technology(Hainan University Horticulture and Landscape College, Xiong Tianzhi) Abstract: The birth of modern robot is the mark that shows the dream of intelligent machine becames a reality, for the human society, which is a r

3、evolution. Now, all types of robots are gradually put into peoples production and life, influencing the human society to significantly. A humanoid robot is the most practical for robot type and closest to the existence of life. As a service robots, there are some kinds, including the indoor office e

4、nvironment service robot, entertainment service robot, and household service robot, etc. In the future, the service robot should have a great development and application.Key words: Humanoid robot Technology Application Development 2006 年 8 月 3 日，我國首臺參考國內(nèi)眾多美女的長相合成的智能“美女機器人”亮相。依照指揮員的口令，“美女機器人”不僅能完成簡單的

5、前進(jìn)、后退等動作，還能夠跟人談天講笑話，能夠在家中用攝像系統(tǒng)識不壞人。“在家里，機器人將會教小孩們學(xué)英語，給父母傳送信息，當(dāng)人們疲乏時，它還能即興表演歌舞提神；在公共場所，它們能夠充當(dāng)郵局的服務(wù)人員，能夠負(fù)責(zé)安全巡邏，還能搜尋闖入者的蹤跡并把他們的圖像傳送到監(jiān)視中心?！表n國專家介紹講。據(jù)韓國媒體報道，韓國打算在 2013 年進(jìn)入全球機器人技術(shù)前三強，到 2020 年實現(xiàn)家家戶戶都有機器人。目前，韓國正在進(jìn)行 2007 年網(wǎng)絡(luò)智能機器人大規(guī)模生產(chǎn)前的預(yù)備。韓國政府希望，就像上世紀(jì) 80 年代半導(dǎo)體一躍成為高科技主力軍一樣，家用機器人將是本世紀(jì)初韓國高科技的領(lǐng)軍產(chǎn)業(yè)。美國加州大學(xué)資深教授、機器人專

6、家伍德約翰教授在其專著機器人產(chǎn)業(yè)的以后中指出，對以后阻礙最大的 4 項技術(shù)是：生物技術(shù)、納米技術(shù)、巨型計算機技術(shù)和智能機器人技術(shù)。他認(rèn)為，日本長期以來將機器人作為一個戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，并給予大力支持，這是政府決策的巨大成功，使日本在汽車、電子、機械、工程等方面處于世界領(lǐng)先地位獲得了可靠的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。越來越多的國家將機器人視為信息時代的“寵兒”，甚至認(rèn)為機器人產(chǎn)業(yè)可能會像汽車產(chǎn)業(yè)一樣，成為國家重要的經(jīng)濟支柱。在這種戰(zhàn)略思想驅(qū)使下，機器人市場日益成為人們開拓的重要目標(biāo)。目前，世界上至少有 48 個國家在進(jìn)展機器人，其中 25 個國家已涉足服務(wù)型機器人開發(fā)。在日本、北美和歐洲，迄今已有 7 種類型計 40

7、 余款服務(wù)型機器人進(jìn)入實驗和半商業(yè)化應(yīng)用。日本是世界上進(jìn)展服務(wù)型機器人最早的國家，目前已有 10 多種服務(wù)型機器人問世。去年 9月，開始向市場推出一種能夠識不 1 萬個單詞的智能機器人，能夠為主人充當(dāng)“家庭保姆”，這將是市場上首次出售用于家庭生活的能夠與人交流的智能機器人，表明日本家庭將迎來機器人保姆時代1。 現(xiàn)代機器人的誕生標(biāo)志著人類關(guān)于智能機器的夢想開始變成現(xiàn)實，這對人類社會來講是一場革命?，F(xiàn)在，各種類型的機器人正逐漸進(jìn)入人們的生產(chǎn)和生活，對人類社會產(chǎn)生著日益重大的阻礙。近50年來，機器人的進(jìn)展突飛猛進(jìn)，大致經(jīng)歷了三個進(jìn)展時期：第一代是屬于示教再現(xiàn)型的簡單個體機器人；第二代為具備初步感受和

8、協(xié)調(diào)能力的群體勞動機器人；第三代為具有感知能力和獨立推斷、行動能力的智能機器人。前兩類機器人的活動范圍往往局限在工廠生產(chǎn)線和專門工作場合，如礦山、核反應(yīng)堆、海底等。而智能機器人則更廣泛地服務(wù)于人們生產(chǎn)和生活的各個方面，比如辦公室的助手機器人，博物館的導(dǎo)游機器人，醫(yī)院的護理機器人，用于監(jiān)視和安全防衛(wèi)的機器人，水下勘測機器人，排雷除彈機器人等等。有第三代機器人之稱的智能服務(wù)型機器人是當(dāng)今機器人學(xué)科進(jìn)展的重要方向2。服務(wù)型機器人是作為機器人類型中最為有用而最貼近生活的存在，目前世界服務(wù)機器人的進(jìn)展速度飛速，技術(shù)更新迅猛。以下為幾種服務(wù)型機器人的進(jìn)展現(xiàn)狀：1. 室內(nèi)辦公環(huán)境服務(wù)機器人 為了適用于辦公室

9、等室內(nèi)場所的履帶式服務(wù)機器人平臺，提高自主移動機器人操縱系統(tǒng)的性能，選用高性能微處理器 ARM9 系列的 S3C2410 處理器作為移動機器人的操縱中心， 并在嵌入式 Linux 系46統(tǒng)下實現(xiàn)機器人的操縱。 系統(tǒng)引入了多種環(huán)境感知器件，采納模糊邏輯實現(xiàn)準(zhǔn)確的運動路線操縱。該自主服務(wù)機器人由中央操縱器、感知子系統(tǒng)、驅(qū)動子系統(tǒng)、 電源系統(tǒng)組成。 整體尺寸 420mm400mm84mm。 在移動機器人設(shè)計過程中，采納模塊化設(shè)計，不同功能結(jié)構(gòu)分不進(jìn)行設(shè)計，各模塊之間連接采納最優(yōu)方式。機器人中央操縱器采納 ARM9 系列的 S3C2410處理器，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，適合服務(wù)

10、機器人系統(tǒng)使用。紅外模塊選用 DC12V 四路紅外遙控收發(fā)器，該收發(fā)器有四組，共十二個接口。 當(dāng)按動紅外發(fā)射器，有信號輸入時，輸出口輸出常開口接入的電壓。該發(fā)射器性能穩(wěn)定，使用簡單。電機驅(qū)動采納 L298N 芯片，L298N 具有體積小、操作電壓范圍大、抗干擾能力強、配備了散熱片、輸出電流大等性能，同時能夠同時驅(qū)動兩臺電機。可通過改變 PWM 波形的占空比操縱電機轉(zhuǎn)速， 還可操縱電機轉(zhuǎn)向。光電編碼器的輸出是兩路相位不同的脈沖信號，據(jù)此可推斷電機的轉(zhuǎn)動方向。超聲測距模塊結(jié)構(gòu)簡單， 體積小， 檢測距離為10cm5000cm（精確到 mm）。 在測距范圍、精度及功耗方面符合要求。 出于對移動機器人工

11、作環(huán)境的分析， 采納將三個超聲模塊放置在移動機器人本體的前部，且兩兩夾角均為 45，幸免了超聲模塊之間的相互干擾。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人平臺由電動機、減速箱、驅(qū)動器和光電編碼器組成。 兩臺電機分不驅(qū)動左右輪為機器人提供動力，驅(qū)動器對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行操縱，并通過光電編碼器對電機的轉(zhuǎn)速和位置的反饋進(jìn)行不斷地調(diào)整，它們共同組成一個閉環(huán)系統(tǒng)?；跈C器人尺寸、重量和功耗等各方面的考慮，機器人采納雙電機的差動驅(qū)動方式。 電機為恒定勵磁磁通的空心杯直流減速電機。 電機部分還包括減速齒輪箱， 用來降低輸出的轉(zhuǎn)速， 同時增大輸出力矩。電機的另一端連有光電編碼器，實時進(jìn)行位置和速度的檢測。系統(tǒng)選用容量為 40Ah

12、 的鉛酸（LEADACID）6V 可充電電池，能夠連續(xù)使用超過 8 小時。 考慮到電機的正常工作電壓為 12V，使用 2 節(jié)上述電池串聯(lián)直接給電機供電。 另接出兩路通過 LM2575 轉(zhuǎn)換成 5V恒定電壓分不為驅(qū)動芯片 L298N 和 ARM 板供電。該機器人采納了履帶差動轉(zhuǎn)向方式。 履帶式具有支撐面積大、接地比壓小、運動平穩(wěn)、不易傾倒、不易打滑、牽引附著性能好等優(yōu)點。每條履帶由單個驅(qū)動輪驅(qū)動，通過分不操縱左、右履帶的速度完成各種差不多動作。車輪為鋁制齒形輪，并將車輪適度鏤空以減輕重量3。通過傳感器來感知外部環(huán)境獲得環(huán)境信息，采納模糊邏輯的方法對機器人進(jìn)行運動操縱，再通過無線通信模塊實現(xiàn)導(dǎo)航操

13、縱，更好地滿足了操縱系統(tǒng)的要求。這種方案針對室內(nèi)自主服務(wù)型機器人在成本和性能上做到了較好的折中，包括嵌入式平臺的選擇、功能模塊的選擇以及硬件平臺的搭建。 因而依靠簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)濟的器件而擁有低廉的價格，同時具有良好的性能和寬敞前景。2. 家用服務(wù)型機器人家用機器人是現(xiàn)在最前端的研究方向，致力于解決人類生活中的困難而研發(fā)的家用機器人定能為人類分憂。近年來，以機器人技術(shù)為代表的現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)差不多進(jìn)展到了“無人車間”、“無人工廠”的水平，然而隨著人們生活水平的提高，一種用機器人代替人類從事各種繁的家務(wù)勞動的需求也隨之產(chǎn)生。正是基于此，家庭服務(wù)型機器人開始成為焦點，各種各樣的服務(wù)型機器人也應(yīng)運而生

14、。清潔機器人是服務(wù)型機器人的一種。在西方發(fā)達(dá)國家，對辦公室、工廠等場所，差不多開始由清潔機器人來代替人完成各種清潔任務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展與人類文明的提升，人類希望擺脫家務(wù)勞動的繁瑣，一旦清潔機器人的價格達(dá)到人們的心理承受能力以下，那么清潔機器人進(jìn)入家庭的前景將被特不看好。在日本，東日本鐵路公司、shinko 電器公司和 Howa 工業(yè)有限公司聯(lián)合研制了車站地面清掃機器人，機器人可沿墻壁從任何一個位置自動啟動，利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃入自帶容器中。日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機器人，可用于各種工廠的清掃工作，機器人采納光纖陀螺操縱方向，采納編碼器和超聲波傳感器測距，采納光學(xué)

15、探測器探測障礙物；機器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一旦機器人與人接觸，觸覺傳感器信號會使機器人停下來，以保證人的安全。這些應(yīng)用還差不多上用于工業(yè)或者公共的場合，真正具有里程碑意義的是 2002 年 9 月清潔機器人“Roomba”在美國面市，這是一款面向家庭的機器人。重約2kg，直徑為 762mm (30)，具有高度自主能力，能夠游走于房間各家具縫隙間，靈巧地完成清掃工作，據(jù)講這是將用于軍事的“躲避地雷的移動技術(shù)”應(yīng)用到了吸塵器上?！癛oomba”的動作有點遲緩，但卻能穩(wěn)定、安全地完成任務(wù)。由于能夠在完成任務(wù)后自動切斷電源，因此能夠在外出期間讓“Roomba”在家進(jìn)行清掃。英

16、國、法國和澳大利亞也都推出過清潔機器人產(chǎn)品。在國內(nèi)，對清潔機器人相關(guān)技術(shù)如機器感知、機器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機器人操縱、電源與電源治理、動力驅(qū)動等技術(shù)的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校，也對清潔機器人進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些成果。這些都為清潔機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。為了制作一個能夠覆蓋全區(qū)域的清潔機器人，首先是設(shè)計一個移動的平臺。為了簡便起見，設(shè)計了 4 輪車身，其中兩個前輪做主動輪，兩個后輪做從動輪。主動輪用兩個直流電機，從動輪用兩個萬向輪。吸塵裝置用一個直流電機帶動一個離心式風(fēng)機產(chǎn)生負(fù)壓達(dá)到吸塵的目的。在車身后部放置一個儲存垃圾的箱體，此

17、箱體帶有一個用伺服電機操縱的門，當(dāng)垃圾裝滿后，可排放到指定的地點。在車身的最后還設(shè)計了一個抹地機械手，進(jìn)一步達(dá)到清潔的目的4。還有一種新開發(fā)的音控家用吸塵機器人也是比較尖端的研究成果。智能吸塵機器人能將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融合起來,實現(xiàn)家庭、賓館及寫字樓等室內(nèi)環(huán)境的半自動或全自動清潔。吸塵機器人作為智能移動機器人有用化進(jìn)展的先行者,因此具有廣泛的市場前景,近年來已受到國內(nèi)外的重視,成為服務(wù)機器人的一個新的研究方向。其研究開始于20世紀(jì)80年代,到目前為止,差不多產(chǎn)生了一些概念樣機和產(chǎn)品。本文從有用化、低成本動身,研制實現(xiàn)了一種基于SPCE061A單片機操縱的音控家用吸塵機器人。其獨

18、特之處在于利用信號處理技術(shù),通過語音信號對吸塵機器人實施智能操縱。本家用吸塵機器人通過語音命令操縱吸塵機器人小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運動動作,以及吸塵器的工作狀態(tài)。音頻信號由特定語音發(fā)出,通過無線話筒輸入,通過吸塵機器人小車內(nèi)的無線信號接收器將語音信號直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,通過編碼后存入存儲器中,語音數(shù)字信號編碼與存儲器中的語音函數(shù)庫中的原有數(shù)字信號編碼相匹配,通過一定的音頻處理算法進(jìn)行模式識不。假如成功,則進(jìn)行相應(yīng)命令操作;識不失敗,則等待語音命令再次輸入。同時,音控家用吸塵機器人利用了超聲波測距的原理,通過以單片機為核心的操縱器在運行中實現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收的選通操縱,并在處理返回脈沖信號

19、的基礎(chǔ)上對障礙物進(jìn)行推斷,選定相應(yīng)的行走操縱策略。機器人在移動過程中,由其自身攜帶的小型吸塵部件,對通過的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。設(shè)計完成的音控家用吸塵機器人通過反復(fù)測試,無線語音通信傳輸有效范圍是小于20米的無障礙區(qū)域,在有效的范圍內(nèi)能準(zhǔn)確對家用吸塵機器人進(jìn)行操縱。從發(fā)出語音指令到執(zhí)行該指令的延時小于100ms,識不正確率大于95%。吸塵機器人在運動過程中能夠?qū)崟r響應(yīng)語音操縱命令,同時能夠連續(xù)進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等以及開始或停止吸塵等操作。同時,音控家用吸塵機器人能較好地自動躲避障礙物,完成在房間里的行走以及對地面吸塵等功能,適應(yīng)于障礙物較少的一般房間內(nèi)作業(yè)。音控家用吸塵機器人不但在學(xué)

20、術(shù)研究上有專門高的價值,而且市場前景也十分開闊。本音控家用吸塵機器人的各獨立模塊也能夠應(yīng)用到其他的儀器,如音控玩具車、真實汽車的聲控系統(tǒng)等場合5。3. 娛樂服務(wù)型機器人娛樂機器人確實是通過對一般的機器人進(jìn)行一些擬人化的外形改造及硬件設(shè)計,同時引入相關(guān)的娛樂形式進(jìn)行軟件開發(fā)而得到的一種用途廣泛、老少皆宜的服務(wù)型機器人。專家指出,在以后2050年的時刻內(nèi),機器人將逐步走入人們的日常生活,隨著人們生活水平和娛樂追求的提高,娛樂機器人的需求量越來越大,尤其是玩具機器人,目前已成為諸多生產(chǎn)廠家追逐的熱點。娛樂機器人在多機器人系統(tǒng)中的應(yīng)用將是一種必定趨勢。當(dāng)前,娛樂機器人的開發(fā)要緊集中在人機互動方面,而在多機器人系統(tǒng)中的應(yīng)用還專門少涉及。該設(shè)計面向多機器人系統(tǒng)中的娛樂機器人操縱系統(tǒng)進(jìn)行研究,該操縱系統(tǒng)在完成其自身娛樂功能的同時,還滿足其在多機器人系統(tǒng)應(yīng)用中信息交互的需求。設(shè)計中的娛樂機器人操縱系統(tǒng)實現(xiàn)了娛樂機器人運動操縱功能和自定位功能,并采納藍(lán)牙技術(shù)構(gòu)建了Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)6-7,建立適合多機器人系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)8。娛樂的服務(wù)多種多樣，比如在KTV，在舞廳，在酒吧，在各種娛樂場所差不多上能夠引入機器人的先進(jìn)技術(shù)的。以上諸種服務(wù)型機器人是目前世界頂尖的技術(shù)，也是以后機器人進(jìn)展的方向指向，當(dāng)我們的生活差不多被自己所造的機器人代勞的時候，人類又是如何的心態(tài)呢。是一種