機器人技術基礎結課論文-服務型機器人的發(fā)展

1、河南工程學院機器人技術基礎考查課專業(yè)論文服務型機器人技術應用現(xiàn)狀與前景學生姓名： 宋昊東 學 院： 機械工程學院 專業(yè)班級： 機制1242 專業(yè)課程： 機器人技術基礎 任課教師： 李輝 2015 年 12 月 28 日目錄前言1摘要、關鍵詞21 各國服務型機器人技術的發(fā)展32 近年來機器人的發(fā)展階段33 服務新機器人發(fā)展現(xiàn)狀4 3.1 室內辦公環(huán)境服務機器人4 3.2 家用服務型機器人5 3.3 娛樂服務型機器人64 總結 7參考文獻8前言 對于我們來說機器人并不陌生，因為有好多關于機器人的電影、動畫片、漫畫、小說等知名度很高，使得現(xiàn)在社會中不管是小孩就連不識字的老人都知道有那么一種神奇的東西

2、，它能在人們無法適應的惡劣的環(huán)境下干活，他能做很多人們做不了的事，甚至有人發(fā)出這種言論：機器人將取代人類。那么機器人到底是什么呢？ 在大多數(shù)人的眼里機器人就是一種長得像人的一種機器，但是其實不然，機器人并不是一定是人的模樣，它是一種智能化的機器，有的很小，有的卻是龐然大物，只有一小部分長得像人，做的像人只是拉近我們與它們的距離，更具有親切感，使機器人更具有人性化，就跟人們害怕看到他們同類的骨架卻不怕一個活生生的人的道理是一樣的。有關于機器人的定義有很多并且不一其原因是它本身就有一定的模糊性。 一般來說，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化

3、組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！彼転槿祟悗碓S多方便之處。摘要：現(xiàn)代機器人的誕生標志著人類對于智能機器的夢想開始變成現(xiàn)實，這對人類社會來說是一場革命。現(xiàn)在，各種類型的機器人正逐漸進入人們的生產和生活，對人類社會產生著日益重大的影響。服務型機器人是作為機器人類型中最為實用而最貼近生活的存在，作為服務型的機器人有室內辦公環(huán)境服務型機器人、娛樂場所服務型機器人、家用服務型機器人等。今后的發(fā)展與應用前景大好、潛力巨大。關鍵詞：服務型機器人 技術 應用 發(fā)展前景服務型機器人技術應用現(xiàn)狀與前景1 各

4、國服務型機器人技術的發(fā)展 2006 年 8 月 3 日，我國首臺參考國內眾多美女的長相合成的智能“美女機器人”亮相。根據指揮員的口令，“美女機器人”不僅能完成簡單的前進、后退等動作，還可以跟人聊天講笑話，可以在家中用攝像系統(tǒng)識別壞人。“在家里，機器人將會教孩子們學英語，給父母傳送信息，當人們疲倦時，它還能即興表演歌舞提神；在公共場所，它們可以充當郵局的服務人員，可以負責安全巡邏，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。”韓國專家介紹說。據韓國媒體報道，韓國計劃在 2013 年進入全球機器人技術前三強，到 2020 年實現(xiàn)家家戶戶都有機器人。目前，韓國正在進行 2007 年網絡智能機器

5、人大規(guī)模生產前的準備。韓國政府希望，就像上世紀 80 年代半導體一躍成為高科技主力軍一樣，家用機器人將是本世紀初韓國高科技的領軍產業(yè)。美國加州大學資深教授、機器人專家伍德·約翰教授在其專著機器人產業(yè)的未來中指出，對未來影響最大的 4 項技術是：生物技術、納米技術、巨型計算機技術和智能機器人技術。他認為，日本長期以來將機器人作為一個戰(zhàn)略產業(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先地位獲得了可靠的物質技術基礎。越來越多的國家將機器人視為信息時代的“寵兒”，甚至認為機器人產業(yè)可能會像汽車產業(yè)一樣，成為國家重要的經濟支柱。 在這種戰(zhàn)略思想驅使

6、下，機器人市場日益成為人們開拓的重要目標。目前，世界上至少有 48 個國家在發(fā)展機器人，其中 25 個國家已涉足服務型機器人開發(fā)。在日本、北美和歐洲，迄今已有 7 種類型計 40 余款服務型機器人進入實驗和半商業(yè)化應用。日本是世界上發(fā)展服務型機器人最早的國家，目前已有 10 多種服務型機器人問世。去年 9月，開始向市場推出一種可以識別 1 萬個單詞的智能機器人，可以為主人充當“家庭保姆”，這將是市場上首次出售用于家庭生活的可以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。2 近年來機器人的發(fā)展階段 現(xiàn)代機器人的誕生標志著人類對于智能機器的夢想開始變成現(xiàn)實，這對人類社會來說是一場革命。

7、現(xiàn)在，各種類型的機器人正逐漸進入人們的生產和生活，對人類社會產生著日益重大的影響。近50年來，機器人的發(fā)展突飛猛進，大致經歷了三個發(fā)展階段：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覺和協(xié)調能力的群體勞動機器人；第三代為具有感知能力和獨立判斷、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線和特殊工作場合，如礦山、核反應堆、海底等。而智能機器人則更廣泛地 服務于人們生產和生活的各個方面，比如辦公室的助手機器人，博物館的導游機器人，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型機器人是當今機器人學科

8、發(fā)展的重要方向。3 服務新機器人發(fā)展現(xiàn)狀 服務型機器人是作為機器人類型中最為實用而最貼近生活的存在，目前世界服務機器人的發(fā)展速度飛快，技術更新迅猛。以下為幾種服務型機器人的發(fā)展現(xiàn)狀：3.1 室內辦公環(huán)境服務機器人 為了適用于辦公室等室內場所的履帶式服務機器人平臺，提高自主移動機器人控制系統(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控制中心，并在嵌入式 Linux 系46統(tǒng)下實現(xiàn)機器人的控制。系統(tǒng)引入了多種環(huán)境感知器件，采用模糊邏輯實現(xiàn)準確的運動路線控制。該自主服務機器人由中央控制器、感知子系統(tǒng)、驅動子系統(tǒng)、 電源系統(tǒng)組成。 整體尺寸 420mm

9、5;400mm×84mm。在移動機器人設計過程中，采用模塊化設計，不同功能結構分別進行設計，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。 機器人中央控制器采用 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。電機驅動采用 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，并且可以同時驅動兩臺電機?？赏ㄟ^改變 PWM 波形的

10、占空比控制電機轉速， 還可控制電機轉向。光電編碼器的輸出是兩路相位不同的脈沖信號，據此可判斷電機的轉動方向。超聲測距模塊結構簡單， 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作環(huán)境的分析，采用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°，避免了超聲模塊之間的相互干擾。機械結構設計機器人平臺由電動機、減速箱、驅動器和光電編碼器組成。 兩臺電機分別驅動左右輪為機器人提供動力，驅動器對電機的轉速和轉向進行控制，并通過光電編碼器對電機的轉速和位置的反饋進行不斷地調整，它們共同組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。基于機器人尺

11、寸、重量和功耗等各方面的考慮，機器人采用雙電機的差動驅動方式。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，實時進行位置和速度的檢測。系統(tǒng)選用容量為 40Ah 的鉛酸（LEADACID）6V可充電電池，能夠連續(xù)使用超過 8 小時?？紤]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 轉換成 5V恒定電壓分別為驅動芯片 L298N 和 ARM 板供電。 該類機器人采用了履帶差動轉向方式。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

12、優(yōu)點。每條履帶由單個驅動輪驅動，通過分別控制左、右履帶的速度完成各種基本動作。車輪為鋁制齒形輪，并將車輪適度鏤空以減輕重量。通過傳感器來感知外部環(huán)境獲得環(huán)境信息，采用模糊邏輯的方法對機器人進行運動控制，再通過無線通信模塊實現(xiàn)導航控制，更好地滿足了控制系統(tǒng)的要求。這種方案針對室內自主服務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。 因而依靠簡單的結構設計，經濟的器件而擁有低廉的價格，同時具有良好的性能和廣闊前景。3.2 家用服務型機器人 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

13、器人技術為代表的現(xiàn)代工業(yè)技術已經發(fā)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勞動的需求也隨之產生。正是基于此，家庭服務型機器人開始成為焦點，各種各樣的服務型機器人也應運而生。清潔機器人是服務型機器人的一種。在西方發(fā)達國家，對辦公室、工廠等場所，已經開始由清潔機器人來代替人完成各種清潔任務。隨著科學技術的發(fā)展與人類文明的提升，人類希望擺脫家務勞動的繁瑣，一旦清潔機器人的價格達到人們的心理承受能力以下，那么清潔機器人進入家庭的前景將被非?？春?。 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

14、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，機器人采用光纖陀螺控制方向，采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學探測器探測障礙物；機器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內部裝有觸覺傳感器，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。這些應用還都是用于工業(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，可以游走于房

15、間各家具縫隙間，靈巧地完成清掃工作，據說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動技術”應用到了吸塵器上?！癛oomba”的動作有點遲緩，但卻能穩(wěn)定、安全地完成任務。由于能夠在完成任務后自動切斷電源，所以可以在外出期間讓“Roomba”在家進行清掃。 英國、法國和澳大利亞也都推出過清潔機器人產品。在國內，對清潔機器人相關技術如機器感知、機器人導航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電源管理、動力驅動等技術的研究，哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學等高校，也對清潔機器人進行了大量的研究，并取得了一些成果。這些都為清潔機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質和技術基礎。為了制作一個能夠覆蓋全區(qū)域的清潔機器人

16、，首先是設計一個移動的平臺。為了簡便起見，設計了 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機產生負壓達到吸塵的目的。在車身后部放置一個儲存垃圾的箱體，此箱體帶有一個用伺服電機控制的門，當垃圾裝滿后，可排放到指定的地點。在車身的最后還設計了一個抹地機械手，進一步達到清潔的目的。 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和吸塵器技術有機地融合起來,實現(xiàn)家庭、賓館及寫字樓等室內環(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實用化發(fā)展的先行者,因此具有廣

17、泛的市場前景,近年來已受到國內外的重視,成為服務機器人的一個新的研究方向。其研究開始于20世紀80年代,到目前為止,已經產生了一些概念樣機和產品。本文從實用化、低成本出發(fā),研制實現(xiàn)了一種基于SPCE061A單片機控制的音控家用吸塵機器人。其獨特之處在于利用信號處理技術,通過語音信號對吸塵機器人實施智能控制。 本家用吸塵機器人通過語音命令控制吸塵機器人小車前進、后退、左轉、右轉等運動動作,以及吸塵器的工作狀態(tài)。音頻信號由特定語音發(fā)出,經過無線話筒輸入,通過吸塵機器人小車上的無線信號接收器將語音信號直接轉化為數(shù)字信號,經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

18、碼相匹配,通過一定的音頻處理算法進行模式識別。如果成功,則進行相應命令操作;識別失敗,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控制器在運行中實現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收的選通控制,并在處理返回脈沖信號的基礎上對障礙物進行判斷,選定相應的行走控制策略。機器人在移動過程中,由其自身攜帶的小型吸塵部件,對經過的地面進行必要的吸塵清掃。 設計完成的音控家用吸塵機器人經過反復測試,無線語音通信傳輸有效范圍是小于20米的無障礙區(qū)域,在有效的范圍內能準確對家用吸塵機器人進行控制。從發(fā)出語音指令到執(zhí)行該指令的延時小于100ms,識別正確率大于95%。吸塵機器人在運動

19、過程中可以實時響應語音控制命令,并且可以連續(xù)進行前進、后退、左轉、右轉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4功能,適應于障礙物較少的普通房間內作業(yè)。音控家用吸塵機器人不但在學術研究上有很高的價值,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可以應用到其他的儀器,如音控玩具車、真實汽車的聲控系統(tǒng)等場合。 3.3 娛樂服務型機器人 娛樂機器人就是通過對一般的機器人進行一些擬人化的外形改造及硬件設計,同時引入相關的娛樂形式進行軟件開發(fā)而得到的一種用途廣泛、老少皆宜的服務型機器人。專家指出,在未來20至50年的時間內,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廠家追逐的熱點。娛樂機器人在多機器人系統(tǒng)中的應用將是一種必然趨勢。當前,娛樂機器人的開發(fā)主要集中在人機互動方面,而在多機器人系統(tǒng)中的應用還很少涉及。該設計面向多機器人系統(tǒng)中的娛樂機器人控制系統(tǒng)進行研究,該控制系統(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)應用中信息交互的需求。設計中的娛樂機器人控制系統(tǒng)實現(xiàn)了娛樂機器人運動控制功能和自定位功能,并采用藍牙技術構建了A