服務(wù)型機(jī)器人技術(shù)論文

1、服務(wù)型機(jī)器人技術(shù) 應(yīng)用現(xiàn)狀與前景課程名稱：機(jī)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(jì)方向）班級：09級（1）班姓名：熊天智學(xué)號：20090203310024服務(wù)型機(jī)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(jī)器人的誕生標(biāo)志著人類對于智能機(jī)器的夢想開始變成現(xiàn)實(shí)，這對人類社會(huì)來說是一場革命?，F(xiàn)在，各種類型的機(jī)器人正逐漸進(jìn)入人們的生產(chǎn)和生活，對人類社會(huì)產(chǎn)生著日益重大的影響。服務(wù)型機(jī)器人是作為機(jī)器人類型中最為實(shí)用而最貼近生活的存在，作為服務(wù)型的機(jī)器人有室內(nèi)辦公環(huán)境服務(wù)型機(jī)器人、娛樂場所服務(wù)型機(jī)器人、家用服務(wù)型機(jī)器人等。今后的發(fā)展與應(yīng)用前景大好、潛力巨大。

2、關(guān)鍵詞：服務(wù)型機(jī)器人 技術(shù) 應(yīng)用 發(fā)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 people's 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 off

4、ice environment 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(tái)參考國內(nèi)眾多美女的長相合成的智能“美女機(jī)器人”亮相。根據(jù)指揮員的口令，“美女機(jī)器人”不僅能

5、完成簡單的前進(jìn)、后退等動(dòng)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?！霸诩依?，機(jī)器人將會(huì)教孩子們學(xué)英語，給父母傳送信息，當(dāng)人們疲倦時(shí)，它還能即興表演歌舞提神；在公共場所，它們可以充當(dāng)郵局的服務(wù)人員，可以負(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國專家介紹說。據(jù)韓國媒體報(bào)道，韓國計(jì)劃在 2013 年進(jìn)入全球機(jī)器人技術(shù)前三強(qiáng)，到 2020 年實(shí)現(xiàn)家家戶戶都有機(jī)器人。目前，韓國正在進(jìn)行 2007 年網(wǎng)絡(luò)智能機(jī)器人大規(guī)模生產(chǎn)前的準(zhǔn)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(jī)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

6、、機(jī)器人專家伍德·約翰教授在其專著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的未來中指出，對未來影響最大的 4 項(xiàng)技術(shù)是：生物技術(shù)、納米技術(shù)、巨型計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能機(jī)器人技術(shù)。他認(rèn)為，日本長期以來將機(jī)器人作為一個(gè)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(jī)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(jī)器人視為信息時(shí)代的“寵兒”，甚至認(rèn)為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)可能會(huì)像汽車產(chǎn)業(yè)一樣，成為國家重要的經(jīng)濟(jì)支柱。在這種戰(zhàn)略思想驅(qū)使下，機(jī)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(gè)國家在發(fā)展機(jī)器人，其中 25 個(gè)國家已涉足服務(wù)型機(jī)器人開發(fā)。在日本、北美和歐洲，迄今已

7、有 7 種類型計(jì) 40 余款服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和半商業(yè)化應(yīng)用。日本是世界上發(fā)展服務(wù)型機(jī)器人最早的國家，目前已有 10 多種服務(wù)型機(jī)器人問世。去年 9月，開始向市場推出一種可以識別 1 萬個(gè)單詞的智能機(jī)器人，可以為主人充當(dāng)“家庭保姆”，這將是市場上首次出售用于家庭生活的可以與人交流的智能機(jī)器人，表明日本家庭將迎來機(jī)器人保姆時(shí)代1。 現(xiàn)代機(jī)器人的誕生標(biāo)志著人類對于智能機(jī)器的夢想開始變成現(xiàn)實(shí)，這對人類社會(huì)來說是一場革命?，F(xiàn)在，各種類型的機(jī)器人正逐漸進(jìn)入人們的生產(chǎn)和生活，對人類社會(huì)產(chǎn)生著日益重大的影響。近50年來，機(jī)器人的發(fā)展突飛猛進(jìn)，大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：第一代是屬于示教再現(xiàn)型的簡單個(gè)體機(jī)器人；

8、第二代為具備初步感覺和協(xié)調(diào)能力的群體勞動(dòng)機(jī)器人；第三代為具有感知能力和獨(dú)立判斷、行動(dòng)能力的智能機(jī)器人。前兩類機(jī)器人的活動(dòng)范圍往往局限在工廠生產(chǎn)線和特殊工作場合，如礦山、核反應(yīng)堆、海底等。而智能機(jī)器人則更廣泛地服務(wù)于人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，比如辦公室的助手機(jī)器人，博物館的導(dǎo)游機(jī)器人，醫(yī)院的護(hù)理機(jī)器人，用于監(jiān)視和安全防衛(wèi)的機(jī)器人，水下勘測機(jī)器人，排雷除彈機(jī)器人等等。有第三代機(jī)器人之稱的智能服務(wù)型機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人學(xué)科發(fā)展的重要方向2。服務(wù)型機(jī)器人是作為機(jī)器人類型中最為實(shí)用而最貼近生活的存在，目前世界服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展速度飛快，技術(shù)更新迅猛。以下為幾種服務(wù)型機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀：1. 室內(nèi)辦公環(huán)境服務(wù)機(jī)

9、器人 為了適用于辦公室等室內(nèi)場所的履帶式服務(wù)機(jī)器人平臺(tái)，提高自主移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人的控制中心， 并在嵌入式 Linux 系46統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)路線控制。該自主服務(wù)機(jī)器人由中央控制器、感知子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、 電源系統(tǒng)組成。 整體尺寸 420mm×400mm×84mm。 在移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，采用模塊化設(shè)計(jì)，不同功能結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。機(jī)器人中央控制器采用 ARM9 系列的 S3C2410處理器，具有高性能

10、、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，適合服務(wù)機(jī)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(gè)接口。 當(dāng)按動(dòng)紅外發(fā)射器，有信號輸入時(shí)，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(jī)驅(qū)動(dòng)采用 L298N 芯片，L298N 具有體積小、操作電壓范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、配備了散熱片、輸出電流大等性能，并且可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)?？赏ㄟ^改變 PWM 波形的占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速， 還可控制電機(jī)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)此可判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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

11、、精度及功耗方面符合要求。 出于對移動(dòng)機(jī)器人工作環(huán)境的分析， 采用將三個(gè)超聲模塊放置在移動(dòng)機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人平臺(tái)由電動(dòng)機(jī)、減速箱、驅(qū)動(dòng)器和光電編碼器組成。 兩臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右輪為機(jī)器人提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)器對電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，并通過光電編碼器對電機(jī)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(gè)閉環(huán)系統(tǒng)?；跈C(jī)器人尺寸、重量和功耗等各方面的考慮，機(jī)器人采用雙電機(jī)的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。 電機(jī)為恒定勵(lì)磁磁通的空心杯直流減速電機(jī)。 電機(jī)部分還包括減速齒輪箱， 用來降低輸出的轉(zhuǎn)速， 同時(shí)增大輸出力矩。電機(jī)的另一端連有光電

12、編碼器，實(shí)時(shí)進(jìn)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(shí)。 考慮到電機(jī)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(jī)供電。 另接出兩路通過 LM2575 轉(zhuǎn)換成 5V恒定電壓分別為驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 和 ARM 板供電。該機(jī)器人采用了履帶差動(dòng)轉(zhuǎn)向方式。 履帶式具有支撐面積大、接地比壓小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、不易傾倒、不易打滑、牽引附著性能好等優(yōu)點(diǎn)。每條履帶由單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，通過分別控制左、右履帶的速度完成各種基本動(dòng)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，采用模糊邏輯

13、的方法對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，再通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(nèi)自主服務(wù)型機(jī)器人在成本和性能上做到了較好的折中，包括嵌入式平臺(tái)的選擇、功能模塊的選擇以及硬件平臺(tái)的搭建。 因而依靠簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)的器件而擁有低廉的價(jià)格，同時(shí)具有良好的性能和廣闊前景。2. 家用服務(wù)型機(jī)器人家用機(jī)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(jī)器人定能為人類分憂。近年來，以機(jī)器人技術(shù)為代表的現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)已經(jīng)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(jī)器人代替人類從事各種繁的家務(wù)勞動(dòng)的需求也隨之產(chǎn)生。正是基于此，家庭服務(wù)

14、型機(jī)器人開始成為焦點(diǎn)，各種各樣的服務(wù)型機(jī)器人也應(yīng)運(yùn)而生。清潔機(jī)器人是服務(wù)型機(jī)器人的一種。在西方發(fā)達(dá)國家，對辦公室、工廠等場所，已經(jīng)開始由清潔機(jī)器人來代替人完成各種清潔任務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人類文明的提升，人類希望擺脫家務(wù)勞動(dòng)的繁瑣，一旦清潔機(jī)器人的價(jià)格達(dá)到人們的心理承受能力以下，那么清潔機(jī)器人進(jìn)入家庭的前景將被非?？春谩Ｔ谌毡?，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(jī)器人，機(jī)器人可沿墻壁從任何一個(gè)位置自動(dòng)啟動(dòng)，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(huì)社的清水工廠開發(fā)出一種自動(dòng)清掃機(jī)器人，可用于各種工廠的清掃工作，機(jī)器人采用光纖

15、陀螺控制方向，采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學(xué)探測器探測障礙物；機(jī)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(jī)器人與人接觸，觸覺傳感器信號會(huì)使機(jī)器人停下來，以保證人的安全。這些應(yīng)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(jī)器人“Roomba”在美國面市，這是一款面向家庭的機(jī)器人。重約2kg，直徑為 762mm (30")，具有高度自主能力，可以游走于房間各家具縫隙間，靈巧地完成清掃工作，據(jù)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動(dòng)技術(shù)”應(yīng)用到了吸塵器上?！癛oomba”的動(dòng)作有點(diǎn)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(dòng)切

16、斷電源，所以可以在外出期間讓“Roomba”在家進(jìn)行清掃。英國、法國和澳大利亞也都推出過清潔機(jī)器人產(chǎn)品。在國內(nèi)，對清潔機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jī)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(gè)能夠覆蓋全區(qū)域的清潔機(jī)器人，首先是設(shè)計(jì)一個(gè)移動(dòng)的平臺(tái)。為了簡便起見，設(shè)計(jì)了 4 輪車身，其中兩個(gè)前輪做主動(dòng)輪，兩個(gè)后輪做從動(dòng)輪。主動(dòng)輪用兩個(gè)直流電機(jī)，從動(dòng)輪用兩個(gè)萬向輪。吸塵裝置用一個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)離心式風(fēng)機(jī)

17、產(chǎn)生負(fù)壓達(dá)到吸塵的目的。在車身后部放置一個(gè)儲(chǔ)存垃圾的箱體，此箱體帶有一個(gè)用伺服電機(jī)控制的門，當(dāng)垃圾裝滿后，可排放到指定的地點(diǎn)。在車身的最后還設(shè)計(jì)了一個(gè)抹地機(jī)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(jī)器人也是比較尖端的研究成果。智能吸塵機(jī)器人能將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來,實(shí)現(xiàn)家庭、賓館及寫字樓等室內(nèi)環(huán)境的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔。吸塵機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)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(jī)器人的一個(gè)新的研究方向。其研究開始于20世紀(jì)80年代,到目前為止,已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。本文從實(shí)用化、低成本出發(fā),研制實(shí)現(xiàn)了一

18、種基于SPCE061A單片機(jī)控制的音控家用吸塵機(jī)器人。其獨(dú)特之處在于利用信號處理技術(shù),通過語音信號對吸塵機(jī)器人實(shí)施智能控制。本家用吸塵機(jī)器人通過語音命令控制吸塵機(jī)器人小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)動(dòng)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(jīng)過無線話筒輸入,通過吸塵機(jī)器人小車上的無線信號接收器將語音信號直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,經(jīng)過編碼后存入存儲(chǔ)器中,語音數(shù)字信號編碼與存儲(chǔ)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)行模式識別。如果成功,則進(jìn)行相應(yīng)命令操作;識別失敗,則等待語音命令再次輸入。同時(shí),音控家用吸塵機(jī)器人利用了超聲波測距的原理,通過以單片機(jī)為核心的控制器在

19、運(yùn)行中實(shí)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(chǔ)上對障礙物進(jìn)行判斷,選定相應(yīng)的行走控制策略。機(jī)器人在移動(dòng)過程中,由其自身攜帶的小型吸塵部件,對經(jīng)過的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。設(shè)計(jì)完成的音控家用吸塵機(jī)器人經(jīng)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(jī)器人進(jìn)行控制。從發(fā)出語音指令到執(zhí)行該指令的延時(shí)小于100ms,識別正確率大于95%。吸塵機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中可以實(shí)時(shí)響應(yīng)語音控制命令,并且可以連續(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(shí),音控家用吸塵機(jī)器人能較好地自動(dòng)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

20、應(yīng)于障礙物較少的普通房間內(nèi)作業(yè)。音控家用吸塵機(jī)器人不但在學(xué)術(shù)研究上有很高的價(jià)值,而且市場前景也十分開闊。本音控家用吸塵機(jī)器人的各獨(dú)立模塊也可以應(yīng)用到其他的儀器,如音控玩具車、真實(shí)汽車的聲控系統(tǒng)等場合5。3. 娛樂服務(wù)型機(jī)器人娛樂機(jī)器人就是通過對一般的機(jī)器人進(jìn)行一些擬人化的外形改造及硬件設(shè)計(jì),同時(shí)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(jī)器人。專家指出,在未來2050年的時(shí)間內(nèi),機(jī)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(jī)器人的需求量越來越大,尤其是玩具機(jī)器人,目前已成為諸多生產(chǎn)廠家追逐的熱點(diǎn)。娛樂機(jī)器人在多機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用將是一種必然趨

21、勢。當(dāng)前,娛樂機(jī)器人的開發(fā)主要集中在人機(jī)互動(dòng)方面,而在多機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用還很少涉及。該設(shè)計(jì)面向多機(jī)器人系統(tǒng)中的娛樂機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,該控制系統(tǒng)在完成其自身娛樂功能的同時(shí),還滿足其在多機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用中信息交互的需求。設(shè)計(jì)中的娛樂機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了娛樂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制功能和自定位功能,并采用藍(lán)牙技術(shù)構(gòu)建了Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)6-7,建立適合多機(jī)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，在各種娛樂場所都是可以引入機(jī)器人的先進(jìn)技術(shù)的。以上諸種服務(wù)型機(jī)器人是目前世界頂尖的技術(shù)，也是未來機(jī)器人發(fā)展的方向指向，當(dāng)我們的生活已經(jīng)被自己所造的機(jī)器人代勞的時(shí)候，人類又是如何的心態(tài)呢。