家用清扫机器人的结构设计新

近年来， 随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机 器人研究领域的热点。其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出现主 要有三大原因：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家 务、照顾病人等；三是人口的老龄和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的 市场应用前景。 服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征就是服务机器人是一种适用于 具体的方式、 环境及任务过程的机器人系统， 其活动空间大， 具有在非结构环境下的移动性， 因此服务机器多数是移动机器人。

随着社会的发展需要，服务机器人已经渗透了我们的生活、工作和经济方面，并且起到 了很大的作用。服务机器人的研究和发展对我们的经济发展有很多的影响。 这片文章主要通 过阐述清洁机器人在服务行业的重要性， 对机器人在各国发展状况的一些综述，让读者了解 将来机器人发展对社会发展的重要性， 文章还写了本人对我国机器人现状的一些调查和理解 看法，在机器人发展中存在的一些影响因素，还有对机器人使用领域的一些展望。

关键词：机器人：清洁机器人：运动原理：清洁方式

ABSTRACT 

In recent years，along with the computer technology and the rapid development of artificial intelligence ， intelligent robot technology gradually become modern robot research hotpots． Among them，service robot， opened a new field of application of robots． Service robots appeared three main reasons：one is rising labor costs. Second is the human to escape the boring physical labor, such as cleaning，housework and patient care，etc．The population is aged 3 and social welfare system for certain service robot also provides a broad application prospect in the market．Service robots in industrial robots is one of the main features of service robot is a suitable way environment and the specific tasks of the robot system，the process of large space activities in unstructured environment，has the high mobility. So most of the mobile robot is service robots． 

With the development of society, we service robots have infiltrated the life，work and economic aspects，and play a very significant role ．Service robot research and development of our economic  development has a lot of influence．This article mainly elaborated through cleaning robot in the importance of service industry in the world，robot is reviewed the development of some future robots，let the reader know the importance of the development of social development，the article also wrote himself in the situation of robot，investigation and understanding in robot in some influencing factors，and to use the domain of robot． 

Key words：Robots：cleaning robot：sports principle：clean way

第一章 前言

1.1 题目要求

近年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐 成为现代机器人研究领域的热点。 其中， 服务机器人开辟了机器人应用的新领域。 服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯 燥乏味的体力劳动，如清沽、家务、照顾病人等；三是人口的老龄和社会福利制 度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。 服务机器人区别于工 业机器人的一个主要特征就是服务机器人是一种适用于具体的方式、 环境及任务 过程的机器人系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机 器多数是移动机器人。

自动进行房间地而清洁的自主吸尘式家庭服务机器人， 集机械学、 电子技术、 传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。 自主吸尘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，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展， 带动了家庭服务机器人行业的发展， 也促进了移动机器人技术、 图像和语音识别、 传感器等相关技术的发展本次设计的题目《家庭清沾机器人》就是在这种背景下 提出的，其具体设计要求如下：

设计家庭清洁机器人的工作内容和要求： 运行机构形式：轮式 最高行进速度：0.5m／s 转弯半径:0 高度:<100mm 宽度:<400mm 

清洁方式：吸尘、扫刷

一次充电连续工作时间： 0.5小时 营示方式： LED闪光 具有自动路径规划避障功能 具确自动充电装置

1.2 国内外相关产品研究

地面清洁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 年代到目前为止已经产生了一些概念样机和产品吸尘机器人的发展带动了

家庭服务机器人行业的发展也促进了移动机器人技术图像和语音识别传感器等 相关技术的发展。 现结合国内外的文献将清扫机器人及其自动充电技术的发展现 状阐述如下

1.2.1 国外产品研究状况

对于机器家可能不会太陌生，工业机器人在很多领域都得到了比较广泛 的应用， 但是对于家庭机器人我们所了解的却相当的少而日本欧美等国家的研究 则比较领先，有的都已经投入市场，在实际中投入使用。 

Rc3000 是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清浩机器人 如图1‐1所示它有光电传感器和芯片控制， 当遇到障碍时， 会随机改变一个角度， 然后继续直走，直到遇到新的障碍物内置了四种清洁程序，保证在退到不同污渍 的地面时，可以调整其清洁程序，通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的 应用程序 内置光敏传感器确保在遇到楼梯与台阶时能够自动避让不会掉落。 扁 平的设计使其能够清洁床，沙发，茶几等家具的下部位置其相应的充电站有红外 发射工作时问设定、工作模式选择。充电垃圾处理五个功能。充电站一直发射红 外定位和导航信号来指…机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务， 同时能 够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作，如图1‐1所示

在日本，东日本铁路公司、Shink 电器公司和 Howa 工业有限公司联台研制 了车站地面清扫机器人机器人可沿墙壁从任何一个位置自动启动利用不断旋转 的刷子将废弃物扫入自带容器中该机器人可采用“磁导引方式” 、 “示教方式”或 “墙面复制方式”控制东日本路公司富士工业有限公司suba实验室和JR东方设 施管理有限公司 联合研制了车站地面擦洗机器人，该机器人工作时一面将清洗 液喷洒到地面上一面用旋转刷不停地擦洗地面， 并将脏水吸入所带的容器中机器 人中的感知系统采用光纤陀螺和超声波传感器，自动清洗系统有两种 一种是

“面积设定模式” 即将待清洗的面积分为若干个单位而积，按照其存储器中的 单位面积识别其行使路线机器人还可利用其传感器识别和躲避障碍物： 另一种叫 “路径地图模式” ．机 器人按照内装的路径地图行驶，机器人可存 9幅地图，并 可利用 IC 卡作为外存，在该模式下、机器人不会避障，仅适用于需要反复擦洗 的指定地段。

东日本铁路公司和东芝公司联合研制的用于座椅布局简单的列车内部地面 清洗的机器人其体积小重量轻、 易于出人车厢及在车厢之间运动感知系统采用超 声波距离传感器和光学、接触式的接近传感器，机器人采用推算定位法，利用编 码器中的数据，保持自己的位置和路径若探测到错误位置、机器人会通过距离传 感器自动修正；高级的列车地面清洗包括扫除垃圾、喷洒清洗液、擦洗、回收污 水、 用清水冲洗和给地面打蜡六个步骤日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种 自动清扫机器人，可用于各种工厂的清扫工作，机器人采用光纤陀螺控制机器人 的方向采用编码器和超声波传感器测距， 采用光学探测器探测障碍物机器人的四 周装有橡胶垫，橡胶垫内部装有触觉传感器，一机器人 与人接触，触觉传惑器 信号会使机器人停下来以保证人的安全松下和日立公司研制出了可清扫砖地木 质地板和地毯地面的清洁机器人该机器人采用蓄电池作为动力源可自动去充电 站充电，能够自主避障和路径规划。

松下电器产业公司在2002年上半年推出了 家庭用清洁机器人的试制机。 该 机器人可以根据房间的形状地板状况垃圾量进行自动清扫， 还配备有避开墙壁炉 子等热源以及障碍的安全功能；该机器人配备有 50 个传感器可一边自动行走边 进行清扫，工作时首先沿房间四周走一圈，记忆房间形状，然后在避开障碍物的 同时开始纵横来回移动清洁工作完成后会自动停止。 该机器人清扫一般的日本式 房间约需要 9min 相当于人打扫同样大房间所需时间的 1‐1.5 倍，可清扫房间地 板的 92％‐93％，机器人利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍 物，机器人的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的行进方向、但在地 毯上行走时如果不采取措施则会受到“地毯花纹”影响而弯曲前进因此该公司在 机器人中安装了方自舵传感器， 可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方自 偏差、由此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进，机 器人体内还安装有防 止从台阶等高处滚下的落差传感器感知暖炉等热源的热传感器器、 检测自身所受 外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器、机器人同普 通的障碍物最少保持10cm的距离， 而在探测到热源时将会同热源至少保持50cm 的距离。 

20 世纪 90 年代、美国就推出了地面清洁机器人 R0boscrub，该机器人配有 激光导航系统采用超声波测距和避障用光码条实现定位。2002 年 9 月清洁机器

人“Roomba在美国面世，它重约2kg，直径为30英寸，具有高度自主能力，可 以游走于房间各家具缝隙间、灵巧完成清扫工作，据说这是将用于军事的“躲避 地雷的移动技术”应用到了吸尘器上Roomba 的动作有自儿迟缓但它却能稳定、 安全地完成任务由于能够在完成任务后自动切断电源，所以可以在外出期间让 R00mba在家进行清扫，如图1‐2所示 

2002 年 10 月 1 日瑞典的拉克斯电子公司与日本东芝公司共同开发的清洁机 器人“特里洛巴伊特上市销售， “特里洛洛伊特’主要由清扫机器和超声波传感 器构成， 在工作时可避开室内摆放的各种家具用品只要家庭主妇领着它搞过一次 清扫后，它便可以按行走过的清扫线路进行自动清扫这种机器人是充电式的，每 一次充电可连续工作1小时。

瑞典家电制造商伊莱克斯(Ekctdux)研制生产的清洁机器人小“三叶虫”高 13mm 直径 35 表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌 腿玻璃器皿宠物或任何其它障碍物。一微处理器识别出这些障碍物，它可重新选 择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保持房问的各个角落都被清扫在 楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫”便不 会跨越，小“三叶虫”开始启动后体内的搜索雷达回探测出距离最近的墙壁先顺 着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽这样它便能探测出整个房问的格局， 计算出 清扫整个房问所需的时间只要一接近一件障碍物它便会重新设定行进路线、 不会 漏掉每一个角落电线或地毯的边缘不会被认作是障碍物。小“三叶虫”的吸刷装 置中装一只专利设计滑轮， 可以越过电线或地毯边缘不被绊住电源不足时，小 “三叶虫” 会自动回到充电卡座自行充电。 如果此时房间还没确清扫完毕， 小 “三 叶虫”还有记忆忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘如图1‐3所示。英国、 法目和澳大利亚也都推出过清洁机器人产 品。

英国Dy sun公司最近推出一种型号为DC06的智能吸尘器这是世界首次开发 研制的全自动吸尘机器人”这种机器人具有一定的人工智能，只需轻按开关它就 会为你解除每天打扫房间的烦恼。如图1—4所示，吸尘机器人形状呈50厘米长 的模型汽车状，重 9.2 公斤左右，配置了 70 多个传感器，可随时将发现的情况 告诉由 3 台内置电脑组成的“大脑” 。 “大脑每秒可发出 16 条命令来指挥吸尘器 的工作。充电后一按开关机器人会在瞬间通过所搭载的三台小型计算机和 70 个 传感器计算出自己所在位置、房问大小及脏乱程度、家具的配置等。要是小孩或 够等外来物体接近吸尘器， 它就会自动停止工作接近楼梯口时吸尘器会自动采用 保护措以防止滚到楼下。使用时，只要打开电源选好速度按下“走”键，吸尘器 就会自动工作，其他程序都由它自己完成不过该产品目前价格太高(4000 美 元左右一台)，要真正推向市场还有相当的难度，如目1‐4所示

澳大利亚的FloorBotics公司最近也研制出可自动行驶并打扫房间的V4型机 器人，如图1‐5所示这种全自动吸尘器表面光滑，体积很小，呈圆形内置搜索雷 达， 可以搜索各种房问里的每一处不会碰撞家具或其它障碍物微处理小电脑使它

具备在拐至屋角处能探测方向选择前进路线的能力只要一放在地面上， 全自动吸 尘器便可自动开始工作其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁， 先顺着墙壁把地板 四周的灰尘及异物吸尽；然后再不规则地来回于房间的其它位置，并且能在接近 障碍物之前迅速转向。 该吸尘机器人由于在主机的周围360度配备了障碍物传感 器， 因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面。 当打扫完可以行驶的场所后， 机器人就自动关闭电源在经过4个小时充电后可以连续工作1个小时以上， 通过 更换配件还可以打扫地毯等如果打扫没有障碍物的地面时，1个小时可以打扫 360平方米不管房间的外形及面积的大小，ARNA导航算法引导机器人在任何房 间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作因为机器人导航沿房间的周围， 所 以它要创建自己的空间参考图机器人不需要任何编程教它应该去哪里” 该机器人 操作简单，仅有三个按钮：开始，结束以及暂停，人们只要简单地将它放置在需 要清扫的区域或房间中(这个机器人吸尘器很轻，一只手就可以容易拿起它)，按 下开始按钮即可如图l‐5所示。 

2003年11月，三星公司推出一款代号为VC‐RP30W的机器人，如图1‐6所示。

VC‐RP30W 主要依靠 3D 地图技术来进行定位，并能灵巧地躲避障碍物，能够快 速、 高效地对房间每个角落进行吸尘。 当遇到障碍物或者死角等情况，VC‐RP30W  会自动转向继续工作。 其强大的只能判断系统使得VC‐RP30W能轻易地分辨出垃 圾鱼其他日常生活用品，机器人也允许用户定义它的工作时间及清扫区域等，从 而实现主人不在家时机器人也能进行自动清扫。事实上，用户除了可以对它本身 进行设置外，还能通过计算机产看安装在机器人前部的摄像头进行远程遥控。整 个机器人的电池能维持它连续工作 50 分钟，而一电池处于即将耗尽的状态时它 自动回到充电座补充能源，非常地智能化。它会充电站使用的是已经生成的 3D 地图，而不是像RC3000那样使用红外的导航信号。

1.2.2 国内产品研究状况

在国内的一些大学、如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单 位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一成果， 对清扫机器人相关技术如 机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力 驱动等技术的研究则更多， 这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基 础和技术基础。

哈尔滨工业大学于 90 年始致力于这方面的亚久，与中文大学合 作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点：采用 全放位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机 器人铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体 具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化 的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运动方式；吸尘机构可实现吸尘腔路 的自动转换，提高了吸尘效率。

浙江大学于 l999 年初在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左右初步朱能的自主吸尘机器人，这种智能 吸尘机器人工作时，首先进行环境学习；利用超声波传感器测距，与墙保持一定 距离行走， 在清洁这角落的同时获得房间的尺寸信息， 从而决定清扫时间； 之后， 利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径；清扫结束以后，自 行回到充电座补充电力。吸尘机器人在 5.5×3.5m2 的实际家庭环境中，工作 10 分钟可以达到 90％以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前，系 统正在引入机器视觉和全局定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、 智能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。如图1‐7所示。

KV8保洁机器人是今年在市场上以低价位卖得比较火的一款产品，也是国内 首个产品化清扫机器人。它广泛适用于家庭办公和娱乐场所，以及其它一些人员 不便进入的地方。KV8 能够通过自身的碰撞传感器来实现随机的清扫和碰撞处 理，需要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐 声。

1.2.3 自主充电技术发展现状

在20世纪 40年代末，G 热源Walte开发第一个自主充电的移动机器人名为： “Tortoises” ，这种机器人具有在神经学研究中想着光线走的行为。Walter还发明 了一个可以充电的小橱，橱中有能够发射光束的装置和充电器，并把它当作充电 站。通过光纤束的引导，机器人来到橱前通过接触从而自主充电，这个系统有如 下的特征： 

(1)机器人的感知行为：感光； 

(2)充电站能够发出机器人可以感知的光束； (3)能够对电池和充电器进行具有一定准确性地对接。 

1998年Tsukuba大学成功开发出了一款可以自动充电的名为Yamabico‐Liv的 导游机器人。通过使用导航系统，该机器人能够利用地图自主导航绕越实验室的 环境到达充电站，通过充电站上一特殊的装置的作用实现自主充电。

最近，位于美国的卡内基梅隆大学的机器人研究中也也开发出了一种叫做 sage 的导游机器人，它是从卡内基梅隆历史物馆所使用的导游机器人 NomadxR4000改进而来。机器Sage通过其所携带的CCD摄像头对标识环境三维 路标等进行识别和处理，从而自主得地寻找充电实现自动充电。路标被直接放于 充电站的插座的正上方、通过它的引导，实现机器人可靠地停靠在预设的充电位 置处，从而实现充电，在插座和插孔中间没有别的东西。在 174 天的操作运行

中，这个机器人成功地实现135天无故障地运转。与此同时，大约每九天偶尔会 要人为地进行一些精度校正。

1.3 研究的目的和意义

吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融台起来，实现室内环境 （地面）的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作近年来已受到国 内外的研究人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智 能化自王式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术， 具有较强的代 表性。性市场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适 用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑 战性，又具有广阔的市场前景。

融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便 宜，全区域盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家鹿清扫机器人。使它 可以替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化、使科技更好地 为人类服务。

1.4 设计的重点和难点

由前面的设计家庭清洁机器人的工作内容和要求， 在宽400 高100 的体积下 如何设计和布置好清扫机构，行走机构，吸尘机构和储存垃圾机构是本次设计的 重点，机器人中的关键部分清扫机构的设计也是本次设计中的难点所在。因为还 要求所设计的机器人具有避障功能， 所以其外形设计也应该仔自考虑清扫后的垃 圾如何处理，以及如何布置吸尘设备也是本次设计中需要仔细考虑的问题。

第二章 家庭清洁机器人的关键技术

家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通通常由四个部分组成：移动机 构、感知系统、控制系统和吸尘系统。移动机构是吸尘机器人的主题，决定了吸 尘器的运动空间，一般采用轮式机构。感知系统一般采用超声波测距仪、接触和 接近觉传感器、红外线传感器和 CCD 摄像机等。随着近年来计算机技术、人工 智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅猛发展，吸尘机器人控制系统研究 和开发已具备了件事的基础和良好的发展前景。 吸尘机器人的控制与工作环境往 拄是不确定的或多变的，因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。用传 感器探测环境、分析信号，以及通过适当的建模方法来理解环境，具有特别重要 的意义，近年来对只能机器人的研究表明，对于工作在复杂非结构环境中的自主 式移动机器人，要进一步提高其自动化程度，主要依赖模式识别及障碍物识别、 实时数据传输及适当人工智能方法，还需要进一步开发全局模型，从而为机器人

获取全局信息。目前发展较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：传感 技术，智能控制技术、路径规划技术、吸尘技术、电源技术等

2.1 传感技术

为了让吸尘机器人正常工作，必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状 态进行监控，还要感知机器人所出工作环境的静态和动感信息，使得吸尘机器人 相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。

通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器有：编码 器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。其中编码器用于确定当前机器人的位置， 线加速度计获取线加速度信息，进而得到线加速度和位置信息；陀螺仪测量移动 机器人的角度、角速度、角加速度以得到机器人的姿态角、运动方向和转动时运 动方向的改变等绝对航向信息。外部传感器有视觉传感器、超声波传感器、红外 传感器、接触很接近传感器。视觉传感器采用 CCD 摄像机进行机器人的视觉导 航与定位、目标识别和地图构造等；超声波传感器测量机器人工作环境中障碍物 的距离信息和地图构造等。 红外线传感器大多采用红外接近开关来探测机器人工 作环境中的障碍物以及避免碰撞。接触和接近觉传感器多用于避碰规划。

2.2 路径规划技术

吸尘机器人的路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息，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，并且实现所 需清扫区域的合理完全路径覆盖。机器人路径规划研究始于20世纪70年代，目 前对这一问题研究仍旧十分活跃。 其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为 静态结构化环境、动态已知环境动态不确定环境，按机器人获取环境信息的方式 不同可以分为基于模型的路径规划和给于传感器的路径规划

对运动规划问题，目前有具体的解析算法。但由于解析算法牵涉到复杂的椭 圆积分问题，实现起来依然具有相当的难度。根据机器人对环境信息知道的程度 不同，可分为为两种类型：环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未 知或部分未知，通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测，以获取障碍物 的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。全局路径规划包括环境建模和路径 搜索策略两个子问题。其中环境建模的主要方法有：可视图法（V‐Graph）、自由 空间法(Free spaccApproach)和栅格法(Grids)等

2.3 吸尘技术

真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体自形成真空从而产生强大的气流，将 尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘系统包括滤尘器、集尘袋、排

气管以及其他一些附件。其吸尘能力取决于风机的转速大小。最近，澳大利亚 Jetfan公司又开发出采用新原理的气流滤尘器。这个吸尘器是一个封闭系统，既 无外部气体吸入，也无机内气体排除，所以就无需滤尘器、集尘袋、排气管等附 件。其原理是利用附壁效应去形成利亚涡流气体，最后将沉渣截留于吸尘器内的 涡流腔内，在英国Dyson公司最近推出的DC06型智能吸尘器就采用的了这种技 术。

2.4 电源技术

移动电源在吸尘机器人中的地位十分重要，可以说是它的生命源。移动电源 需要同时满足吸尘机器人的多种能源需要，如为移动机构提供动力，为控制电路 提供稳定的电压和为吸尘操作模块提供能源等。在这一领域，一般采用化学电池 作为移动电源。理想的电源应该能够在放电过程中保持恒定的电压，内阻小以便 快速放电，可充电以及成本低等，但实际上没有一种电池可同时具备上述优点， 这就要求设计人员选择一种合适的电池， 尽可能增加吸尘机器人的不间断工作时 间。

第三章 清洁机器人的机械设计

3.1 机械结构组成和工作原理

本课题要研制一自结构小巧、灵活，控制简单、易于实现，初步完成自主移 动、自动避障和路径规划任务的清洁机器人。整个清洁机器人由机机械部分和控 制系统两大部分组成。机械部分包括高强度塑料底盘、外壳、两个驱动轮和一个 随动轮。它们是吸尘点击、清洁刷、电池以及控制系统的载体。机器人整体外观， 如图3‐1所示

3.1.1 机械结构组成

本清洁机器人的结构如图3‐2所示。主要包括以下几部分： 

(1)个行走驱动轮及驱动电机。该部分主要保证机器人能够在平面内移动。 壳体前端和侧面装有红外开关、作为碰撞检测传感器。底面的3个红外开关作为 台阶检测传感器，防止跌落。驱动轮上装有光电编码盘、可以对轮速进行检测和 控制、实现定位和路径规划。同时还括展了超声波传感器，用于精确定位的需； 

(2)清扫机构。用电机带动两个清扫刷、使左面清扫刷顺时针转动，右面逆 时针转动，这样就可以在清扫灰尘时将灰尘集中于吸风口处，为吸尘机构的工作 做准备； 

(3)吸尘机构。旨在强大的吸力、将灰尘吸入灰尘储存箱中； 

(4)擦地机构。在清扫、吸尘之后，利用安装在壳体下面的清洁布擦出残留在 地面上的细小灰尘，保证清洁工作的质量。

移动机构是其它部件的载体，机器人移动机构按结构分有轮式、履带式和步 行式等。轮式和履带武机器人适合条件较好的地面，而步行机器人刚适合于条件 较差的路面。本课题研制的自主清洁机器人工作在环境较好的室内，所以采用轮 式移动机构较为适合。

轮式移动机器人一般有三轮、四轮和六轮，移动机器人若采用三轮结构则比 较简单，能够满足一般的需求，应用也比较广泛；四轮的稳定性好，承载能力较 大，但结构较复杂；六轮与四轮类似．只不过有更大的承载能力和稳定性。在本 课题中．清洁机器人的重量不是很大，工作条件是室内，也不恶劣，三点确定一 个平面，三轮理论上也是稳定的，但是对负载有一定的，对三三轮动机器人 来说，重心都比较低，载荷稳定且中心位置基本不发生变化．所以采用三轮结构 就能满足要求

三轮转向装置的结构通常有两种方式：

(1)铰轴转向式：转向轮装在转向铰轴上，转自电机通过减速器和机械连杆 机

构控制铰轴从而控制转向轮的转向。 

(2)差速转向式：在机器人的左、右轮上分别装上两个的驱动电机，通过 控制左右轮的速度比实现车体的转向。在这种情况下，非驱动轮影子有轮。移动 机器人若采用镀轴转向式控制简单，但精度不是太高；差动转向式控制复杂但精 度较高。考虑到本课题清洁机人将来作为服务型机器人使用，在控制方式上应达 到一个较高层次，所以采用差动轮转向式比较好，并且其运动转向的精度也高一 些，以便为以后的避障和轨迹规划打下一个良好的基础。因此本系统的移动机构 采用的是三轮差速转向式的，如图3‐3所示

按照上述的移动结构，清洁机器人采用两直流电动机驱动左右两轮的差 动方式，控制点单、精确，抑郁实现，可以方便地吸尘机器人的前进、左转右转、 后退，以及调头等功能，清洁机器人能够在任意半径下、一人一速度实现转弯、 甚至可以实现零转弯半径(即绕轴中点原地旋转)。

3.1.2 工作原理

本系统的功能模块关系如图3‐4所示。 清洁机器人由多个功能模块共同组成， 这几个模块共同工作， 相互协调、 相互作用、 保证了机器人能够顺利的进行清扫。 具体的工作原理如下清洁机器人的中心是清洁机器人的CPU， 它对其它各个功能 模块进行控制。 信息采集模块负责采集周围环境以及机器人本身的各种信息键盘 模块和红外遥控接收模块可以接收人们对机器人的控制信息，然后把信息传给 CPU进行处理。当接收收到需要机器人进行清扫工作的信号，CPU可以通过控制 行走机构和清洁机构让机器人进行工作。在机器人工作的过程中还可以通过LCD 显示模块和状态指示模块对机器人的状态进行时实的显示

机器人工作的流程如下：

(1)首先可以通过键盘或者遥控器启动清洁机器人，让它开始清扫工作 (2)机器人一但开始工作，便控制清扫机构进行清扫、吸尘机构开始吸尘擦 地机构开始擦地。 

(3)机器人开始工作、传感探测模块就开始不断地采集外部信息，送到 CPU 进行分析和决策产生机器人行走的路径。 

(4)当路径规划需要机器人实现转向的时候。CPU就分别改变左右轮的速度， 通过差速来实现转向。 

(5)工作期间机器人可以通过 LCD 显示一些相关信息(比如工作模式、工作计 时或温度) 

(6)遥控器除了可以控制清洁机器人的启停，还可以对机器人进行定时，让机 器人在一定时间后开始工作或者工作一定时间后停止工作。

该机器人利用安装的各类传感器来获取室内环境以及自身的基本信息， 如障 碍物的位置、自身走过的距离等；然后根据获得的信息，选定相应的公职策略； 通过以单片机为核心的控制系统进行障碍物判断、避障策略选择和运动行走实 是。机器人面板上有控制其开始/停止工作的案件。同时也可以通过来控制，遥 控还可以用来对机器人进行定时，LCD实时的显定时的倒计时和当前的温度值。

3.2 清洁机器人总体设计 3.2.1 机器人外形设计

根据家庭清洁机器人的设计要求，本次设计的机器人应该包括清扫机构、行 走机构、吸尘机构、垃圾收集处理机构，其中清扫机构的设计尤为重要。通过在 网上搜索一些相关资料以及在图书馆查阅的资料， 初步把机器人的外形设计为长

宽均为 400mm 高位 100mm 的长方体。但是后来发现多设计的结构的不合理之 处周边有棱角的机器人在躲避障碍物是很不便，非常容易碰到障碍物、而圆形物 体则比较容易避开障碍物。因而最终把机器人的外形设计为圆盘形，其外部轮廓 大体如图3‐5所示

3.2.2 机器人的行走机构设计

为实现机器人的转弯半径为 0，在机器人的行走机构中采用两轮驱动，两个 驱动轮对称分布在清扫机构的后方，两个轮子子和刷子支撑机体工作和运动，选 样设计既节省材料，又可以使刷子和地面全面的接触，从而利于更彻底的清扫， 在机器人转弯时，通过控制行走机构的两个电机的转速及旋转方向，进而控制两 个轮子，通过轮子的前后茶素运动实现集体的转弯半径为0. 

3.2.3 清扫机构的设计

在清扫机构的设计中想到了四个方案： 

(1) 电机带动斜齿轮1，斜齿轮 1带动斜齿轮2，挟斜齿轮2带动斜齿轮3，斜齿 轮上的轴连接滚刷，进而实现清扫；

(2) 电机带动锥齿轮1，锥齿轮 1带动锥齿轮2，有锥齿轮2上的轴连接滚刷，进 而实现清扫； 

(3)电机带动蜗杆，蜗杆两端接涡轮，两个涡轮的轴上分别接刷子，从而实现清 扫； 

(4)电机带动蜗杆，蜗杆两端接涡轮，两个涡轮分别接皮带轮、皮带轮上的轴接 刷子，从而实现清扫。

以上四种方案通过对比以及由设计的要求所，最终选择方案四为清扫机 构。其正面结构如下图所示

因为所设计的机器人它的体积有，在直径为四百，高为一百的园内要放 置有清扫机构、行走机构、吸尘机构、垃圾收集处理机构，同时还得留下放电池、 控制中心、观察中心的地方，而方案一虽然易于安装，传动平稳，但是斜齿轮所 占的面积非常大、如果选用它，则会占用大量的空间，是其他几个单元有部分将

放置不下，从而超出所要设计的尺寸，因而否定了这种方案；方案二中，锥齿轮 传动不如斜齿轮平稳，同时锥齿轮一所占的体积也比较大，而清扫机构又是本次 设计中最重要的部分，因而选用锥齿轮的弊端也很大，所以经过计算及各个机构 总体布局的综合考虑，舍弃了方案二；方案三中通过点击带动蜗杆转动，再有蜗 杆带动其两端的蜗轮，由蜗轮上的轴带动固定在其上的刷子旋转，从而实现了清 扫的目的。为了使机嚣人的外壁在靠近墙边时刷子能够扫到墙壁的边缘，同时使 它在清扫过程中没有工作盲区，开始设计时用两个直径都为200mm的刷子，这 样的话，蜗轮和蜗杆的中心距就必须为 100mm，而在选种中心距的情况下，涡 轮蜗秆的尺寸都比较大，虽然能够放置下，但是涡轮蜗杆这个装置就显得比较笨 重，所占的重量很大，这就加重了机器的人的总重量，因而这种方案也不是很合 理；最后在方案三的基础上产生了方案四。方案四中通过两边加皮带轮这个结构 缩小了蜗轮蜗杆的中心距，从而减小了机器的总重量，同时还有利于其它机构的 安装因而选择方案司为本次设计的清扫机构。

3.2.4 吸尘机构设计

在吸尘机构的设计中将风扇固定在垃圾储藏室上壁，在风扇上罩一个薄壁 腔。在薄壁腔上方开一个圆孔，以便于空气的排出。在垃圾储藏室上壁开两个小 长方孔，在方孔下加一个隔尘罩。（其大体图形如图3‐11所示）通过风扇的旋转 带动垃圾储藏室内的空气流动， 有通过储藏室内的管腔将刷子清扫引起的尘土吸 附进来，待尘土的空气通过防尘罩将尘土挡到垃圾储物室，较干净的空气则通过 吸尘室上壁腔的圆孔排到大气中去，从而实现吸尘的目的。

3.2.5 垃圾收集处理机构设计

在对垃圾收集处理机构进行设计时，开始想用如图下所示的结构作为垃圾收 集挡板

通过电机带动和电机相连的小齿轮,小齿轮通过带动和其配对的大齿轮带动轴 2 旋转，从而使轴2另一端上固定的大齿轮带动和其相连的小齿轮旋转，进而使垃 圾收集挡板作扬起动作通过控制电机的正反转来控制。 但是此结构所占的空间比 较大，所示设计的将清洁机器人空间有限，不允许用这种结构，因为如果采用此 种结构，将导致其他一些机构无法放置，因此此种方案不可行。

后采用如下图的方案， 该方案通过毛刷将垃圾扫至吸口， 因吸口横截面积小， 根据伯努利方程可知，此处吸力很强。当被吸入的垃圾到达垃圾储藏盒时，空间 瞬间扩大，吸力减弱至最低值，垃圾便停留在垃圾储存盒中。要倾倒出垃圾，将 可拉出的垃圾储藏盒拉出即可倾倒。又因为本处的清扫机器人为室内清扫，不存 在很大体积的垃圾，而且该方案所用空间很小，故本处采用该方案，图如 3‐13 所示

因为清扫部分是家庭清洁机器人的最重要的部分，整个机体的大半部分质量 都集中在这一部分。为了减轻机器的质量，使其在使用时更方便一写，将这一部

分单独设计一个固定件固定在机体上，这样既满足工作要求有减轻了机体的质 量，清扫机构的固定件如图3‐14所示

最终设计家庭清洁机器体布局如目3‐15所示

第四章 具体计算

4.1 电机选择 

(1) 初步估计机器的总重量为 9千克、g取 9.8N／kg，则G=9*9.8=88.2N则分 配到每个轮子上的载荷位F=1／4G=1／4*88.2=22.1N

按橡胶在优质路面上行走，取δ=1    μ=0.1 则:滚动摩擦阻力 

=δ•F=l×22.1=0.0221N.m 

滑动摩擦阻力 f=F•μ=22.1×0.1=2.21N 

由前面的总体设计中机器的各个机构的布局安排，车体底盘应至少高于地面 10mm取轮子直径D为 94mm，则R=1／2D=47mm，则轮子行走过程中所受的阻 力矩： =f•R+ 

=2.21×47×10ª+0.0221=0.126N.m 

= 式中： 

=0.126N.m 

(3) 工作机要求的功率 由 =2 

==203.2r/min 

取 = 

= 

，则 ==3.83W,电机所需的输出功率 ,其中 

*0.97*0.9=0.86, 

则电机所需的输出的功率 = = =4.45W。 

(3) 确定电机。考虑到机器人在转弯时要求其转弯半径为零，这样就要求两个 和电机相连的轮子在转弯时必须差速运转从而才能实现转弯半径为零。 而要实现 差速运转则要求电机具有调遣功能，再由(2)中所算得电机输出功率、从而通过 在网上搜索查到了宁波市北仓深港交流调速电机厂生产的 YCJT 系列电机满足设 计中所需要的电机要求，因为运转本机器时电机需要输出的功率为4.45W，由宁 波市北仓深港交流调速电机厂网站上给的产品的技术指标和安装型号中选型号 为 YCJT‐6‐1 输出功率为 6W，速度可调范围为 90‐1350r/min，1200r／min 时转矩 为5N.cm启动转矩为3.5N.Cm的电机， 因为其在满足要求的情况下尺寸比我所查 到的电机的尺寸都小，所以选用它为驱动机构的电机

4.2 蜗轮蜗杆的选择 

(1)因为本次设计所用的蜗杆和涡轮是清扫机构功率的输如部分， 是机器人结 构中最重要的部分，所以选蜗杆材料 40Cr 表面淬火硬度 45～50HRC，涡轮齿圈 村料为ZCuSnl0Pb1，金属模铸造,确定许用应力： 应力循环次数 

=60 

=60*206*12000=1.48*

查《机械设计》得： 

= (2)选择

= 194Mpa； 

=230MPa 

= 

‐=90MPa = =52MPa 

根据传动比i=14.5，参考蜗轮蜗杆参数表取 =2，则 =i (4) 按齿面接触疲劳强度设计

先查《机械设计》确定计算公式所需参数： 取 

=1. 2 

=1 

=0.8*1.281=0.96； 

当 =2时， =0.7~0.75,取 =0.7，代入①式中得： 

因载荷平稳,通过跑合可以改善偏载程度，取 则载荷系数K= = i 

①

=0.8；

=29； 

=9.55*=9.55*=19386.5 N.mm 查《机械设计》得： =155 

，

将这些数据代入接触强度计算公式求得： 

≥9K =134；

≥134 ， 差表选取 m=2mm, 

=22.4mm, 

按接触强度要求 ， 

=2,q=11.20,z2=29,r=10°07′29″。中心距ａ＝ (q+ )＝40.20mm， =m =58; a=40.20mm不是标准推荐中心距，入选择中心距，涡轮将变位。本设计不采用变 为，取a=40.20 (5) 验算初设参数

蜗轮圆周速度 ==0.63m/s元估计 <3m/s,选Kv值，相符。 滑动速度 = 

=3.m/s，在范围之内，所选材料合适。

根据 =1.8m/s,查表得 

=2°， 

蜗杆传动效率 =（0.95~0.96） = 

=0.83，传动效率 =（0.95~0.96）*0.85=0.81~0.82，与初选 =0.7 

不符，出阿东效率应适当降低。 （5）验算齿根弯曲疲劳强度和刚度 = (1.6K 蜗轮当量齿数 

)/ 

< 

=58.4Mpa 

=2.65；

= / =29.44，查得齿形系数 

则可求的： =1‐ 带入①式中 =27.85Mpa< 

=0.917 

成立。弯曲强度满足要求。

（6）蜗杆、蜗轮几何尺寸计算

蜗杆齿顶圆直径 蜗

杆

蜗蜗轮蜗轮涡轮咽喉母圆半径

齿

根

杆喉齿根圆

齿圆直

径

宽

直径

直径

圆蜗轮齿宽

选蜗轮轮齿端面为锥面结构； 蜗轮轮缘宽度 其 B=20mm 

（取 =100°）；

为窃取顶圆齿尖，蜗轮顶圆直径 ；

为不损伤齿宽b2，

所以de2的取值范围在66mm和 mm之间，取de2=67mm。

由于蜗杆传动效率地所以工作时产生热量大。对闭式蜗杆传动，摩擦所产生的热 量将通过箱体散发到空气中去。本设计中，蜗杆传动产生的热量直接散发到机器 内，通过吸尘时产生的风力将热量排除机体外。

因为蜗杆传动的效率主要取决于啮合效率， 而蜗杆分度圆导程角对啮合效率起主 要影响，导程角大于 30°以后啮合效率增加不显著切蜗杆加工也比较困难，所 以本设计中蜗杆导程角小于 30°，同时减小了中心距进而减小了蜗杆的直径， 从而提干了啮合效率，因而进一步提高了蜗杆的传动效率。

4.3 清扫机构的电机的选择

因为清扫机构中刷子的旋转速度只要达到3r/s就可以实现清扫目的， 并可以 把垃圾扫到垃圾储藏室中、又因为皮带轮的传动比设计为 1：1，所以要求蜗轮 的转速大约为 180r/min 到 2l0r/min 左右即完成清扫任务，由前面初步算得的蜗 轮蜗杆之间的减速比可推出蜗杆的转速大约自 2610r/min‐3045r/min 之间，因而 选电机型号为 55SZ01，转速为 3000r/min,功率为 12W，其尺寸较小，又能满足 工作需要，所以选用它来做为清扫机构的动力输入部分。

4.4 家庭清洁机器人电池的选用

工作环境对清洁机器人的能源提出了特殊要求，目前清洁机器人基本上都采 用电池作为能源，电池有一次电池、二次电池和燃料电池。作为机器人能源的次 电池要求能量密度高、自放电少、可靠性高，一次电池有锰干电池，碱性锰电池、 钾电池、汞电池、氧化银电池等。干电池应用范围广，使用温度越汞电池氧化银

电池等。干电池应用范围广，使用温度高，电压、容量都同时增大，但有可能造 成自放电和产生气体，使用温度可达50℃‐60c 以下容量

几句减少。碱性锰电池适合于大电流放电，放电容量很大，尺寸与干电池相同， 具有互换性。锉电池电动势高、能量密度高、工作温度范围大、自放电少，正逐 步走向实用化，是一种非常好的机器人能源，二次电池又叫蓄电池，有铅酸电池 银锌电池、镍镐电池和镍锌电池等。铅酸电池是一种比较好的机器人能源，电压 高、寿命长、可高比率放电、价格低、结构简单可靠，工艺成熟，能量密度低。 银锌电池是现有二次电池中输出功率最大、能量最高的电池、自放电速度慢，机 械强度高，可短期超负荷放电，放电电压平稳，价格贵、充电时间长、寿命短充 电次数步。镍镐电池和镍锌电池电压低、价格贵，应用较少。

燃料电池有碱性燃料电池、另算燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体电解 质燃料电池等，燃料电池体积小、重量轻、寿命长、效率高、无污染，是一种非 常好的清洁机器人用电源，但总的来说，目前还处于研究开发阶段。

由以上对各种电池的分析，同时考虑到本次设计的要求，选用铅酸电池比较 台理，因为铅酸电池是一种比较好的机器人能源，电压高、寿命长、可高比率放 电、价格低、结构简单可靠、工艺成熟，可降低制造家庭清洁机器人的总成本， 因而本次设计选用两组铅酸电池作为机器人的能量来源， 其安装位置入家庭清洁 机器人的装配图中所示。

4.5 清扫机构中蜗杆上轴承的寿命的计算

（1）计算轴承寿命的基本公式为： = 其中：P‐当量动载荷（N）； 

‐寿命指数，球轴承 =3，棍子轴承 n‐轴承转速r/min； 

h 

=10/3； 

C‐基本额定动载荷（N），可由轴承样本或有关机械设计手册中查到。 经查表得C=2.75* 

（2）计算角接触轴承的当量动载荷 基本公式为P= (XR+YA) 

其中：X‐径向载荷系数，其值见机械设计P321 表13‐5； 

Y‐轴向载荷系数，其值见机械设计P321表13‐5 R‐轴承所承受的径向载荷； A‐轴承所承受的轴向载荷； 

‐载荷系数，考虑机器的运转情况对轴承载荷的影响，查表 13‐6（机械设

计P321）

待求量为R,A值，计算轴承所受的径向载荷R 轴向受力如图4‐2所示。

经计算解 得Fr=0.081N Fa=0.015N 

由一直条件可知，轴承是关于蜗轮堆成的，所以左右的距离相等。所以 = 所以 

=Fr1/2=0.0405N = 

=0.1405N 

又因为轴承的质量作用在轴承上，每个轴承大约承受0.1N 派生轴向力 = =R/2Y=0.0468N 

又因为 + =0.0468‐0.015=0.0618N>0.0468N 所以轴承1压紧，轴承 2放松 所以A1=0.0618N,A2=0.0468N A1>A2，所以只需要校核轴承 1即可 因为A/R=0.0618/0.1405所以P=fp（XR+YA）=1.0*(1*0.1405+0*A)=0.1405 

所以 = 所以符合要求。

= =1.08*h 

4.6 清扫机构中涡轮轴的校核

轴上能使产生弯矩的力有Fr，Ft Fr=0.081N Ft=0.015N 

两个力在相互垂直的两个平面上，L=69mm，D=12mm如下两个视图 4‐3 

做弯距图如4‐4所示 

Mr=0.25FrL=0.25×0.081×69=1.40N.mm Mt=0.25FtL=0.25×0.015×69=0.3N.mm

合成弯矩M= =1.43N.mm 

= = = = 1.43/(0.1×12^3)=0.01M/ 

由于前面已经选定轴的材料为45钢，调制处理，查表 <[ ]=60N.mm，故符 合强度要求。

第五章 总结也展望

5.1 发展趋势

虽然自主吸尘机器人的研究已经取得了很大进步，进入了实用阶段，但是 自主能力、工作效率方面还不理想，需要在技术上解决传感器技求、定位和环境 建模技术，再次基础上，自主吸尘机器人可以向着高度智能化、多功能集成、低 成本的方向发展。

5.1.1 高度智能化

现在的自主吸尘机器人在行为上还处于“低级生物”的阶段，环境感知能 力有限，对路径的规划只是随机的方式或者基于局部环境信息的规划方式，在复 杂环境和多房间的环境下，这种工作方式的效率会锐减，因此，建立 CCD 视觉 系统，融合多种传感嚣进行定位和环境建模，实现全局路径规划，将是一个重要 的研究方向同时，算法必须考虑系统的处理速度、存储空间的。

5.1.2 功能扩展

自主吸尘机器人是一个可移动的智能平台，在吸尘功能之外可以进行功能 拓展，比如进行家电控制房间环境检测（防止火灾电器故障盗窃等)这方面的市 场需求已经被Tmsuk和三洋公司抓住并在2002年发布了两款这样的机器人. 

5.1.3 低成本化

智能机器人是一个复杂的系统，使用了大量的传感器和一个或者多个高性 能的微处理器，因此成本较高但是为了让普通人都可以享受科技进步的成果，降 低成本是个必由之路。

5.2 展望

尽管目前价廉物美的吸尘器给人们的清洁工作带来了一定的便利，但过大

的噪音依然让大多数使用者望而却步吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个 新产，将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因 此只要生产成本兼顾到日用电器批量大，价格低的特点，吸尘机器人将具有诱人 的市场前景，有关资料也预测吸尘机器人是未来几年需求量最大的服务机器人。 特别是日用清洁电嚣不论是在市场上或者是在产品的创新上绝对是所有小家电 产品中最活跃的未来仍有相当大的成长空间尽管目前国内外在吸尘机器人研究 开发当面已取得了一定的成果， 但成本过高很许多关键技术问题上亟待解决或提 高，主要有以下几个方面： 

(1)目前，价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素，因此 为了大幅度降低其成本我们必需开发专用运动控制和数字处理芯片以及微型传 感器其次，应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景、通过采用蓝牙技术将过高 的数字处理器成本转移到用户的个人电脑上则有望在短期内将吸尘机器人的成 本控制在千元左右。 

(2)未来的吸尘机器人将向智能化和自主式发展，因此我们必须结合现有的 基于自适应控制、模糊逻辑、遗传算法等的移动机器人运动规划和控制技术，研 究开发出对环境变化具有良好的自适应性和鲁棒性对环境障碍物具有安全可靠 的防碰撞功能的智能运动规划与控制器， 使吸尘机器人完成与人工操作质量相同 的甚至更好的吸尘工作。 

(3)为了有效地提高清洁的质量，还需要对现有的吸尘技术进行改进根据环 境的脏洁程度， 采用模糊逻辑等技术设计台理的吸尘时间以及相协调的机器人运 动速度确保满意的吸尘效果。 

(4)电源技术是吸尘机器人的核心之一，除了有效地提高机器人运动和吸尘 速度以延长电池的实际吸尘时间外，还尚需优化自动充电方案，保证机器人能及 时进行充电， 自动完成对指定环境的吸尘任务随着吸尘机器人关键技术和性能价 格比的不断提高或改进，相信根据现有的软硬件条件，未来机年内就会推出价格 适中的全自动吸尘机器人产品， 进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千 家万户，为这一高新技产品带来可观的市场和经济效益。

参考文献 

[1] 机械设计手册编委会. 机械设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2004 [2] 罗迎社主编. 材料力学 [M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2007 

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[5] 周良德 朱泗芳 杨世平主编. 现代工程图学 [M]. 长沙：湖南科学技术出版社，

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[6] 岑军健主编. 新编非标准设备设计手册 [M]. 北京：国防工业出版社，1999 [7] 吴宗泽 宋宝玉主编. 机械设计课程设计指导书 [M]. 北京： 高等教育出版社，2009  [8] 杜祥琪编著. 工业机器人及其应用 [M]. 北京：机械工业出版社，1986 [9] 关慧贞 冯辛安主编. 机械制造装备设计 [M]. 北京：机械工业出版社，2011 [10] 邹青编. 机械制造技术基础课程设计指导教程 [M]. 北京： 机械工业出版社，2004  [11] 王秀贵 曹江莲编著. C 语言程序设计教程 [M]. 北京：中国铁道出版社，2008 [l2] 新版机械设计手册 [M]. 北京：机械工业出版社，2004 

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[15] 国家教委高等教育司北京市教育委员会编. 高等学校毕业设计(论文) 指导 [M]. 北京：经济日报出版社，2002 

[16] 蔡自兴主编. 机器人学 [M]. 北京：清华大学出版社 

[17] 孙桓 陈作模 葛文杰主编. 机械原理 [M ]. 北京：高等教育出版社 2010 

致谢

本论文是在导师 XX 老师的悉心指导和关怀下完成的。无论是在选题、课题的研究还是 在论文的撰写方面，无不倾注着导师的心血。导师渊的知识、精湛的学术造诣为本论文的研 究指明了方向，导师明锐的洞察力、富有创建的学术思想是本论文得以开展和顺利完成的重 要动因，秦老师严谨的学风、一丝不苟的治学态度和对科学孜孜不倦的执著追求时刻启迪着

我，他诲人不倦、刻苦奉献的精神以及平易近人的工作永远激励着我。

另外，我还要感谢 noss 大学 noss 机械班的同学朋友们，他们在我攻读学士学位期间给 予了大量建议和帮助。 我要特别感谢我的父母和亲友，感谢他们给予我无私的理解与莫大的 关怀，他们对我的支持是我顺利完成学业的最大动力。

还要感谢对论文进行评审、并提宝贵贵意见的各位专家教授。

最后再次向我的导师衷心的感谢和崇高的敬意， 也向所有在我攻读学位及撰写论文期间 给予我帮助的秦老师、机械四班的同学、亲人和朋友表示衷心的感谢。祝 noss 大学，事业 辉煌，蒸蒸日上！

附录 

Home cleaning service­oriented development and current 

situation of the robot 

1 Introduction

In recent years, with the rapid development of Chinese industry, cleaner production and sales volume has increased significantly in China's market has great vitality. With the social progress and development, people's material and spiritual improvement of the quality of the urgent need to clean from the heavy work out. Thus the birth of a service­oriented home cleaning robots, mobile robots will be cleaning technology and the organic integration of technology to achieve the family hotels, office buildings and other indoor environment clean and semi­automatic or fully automatic, so has a broad market prospects. In this paper, cleaning robots, on the domestic and foreign research and its key technologies are introduced, and the development of cleaning robots in the near future a number of issues were discussed. 

2 Cleaning robot research at home and abroad 

In Europe America and Japan and Other developed countries, the development of cleaning robots earlier, is also a wider range of applications, the last two years, has developed a wide range of market­oriented intelligent cleaning robot. 

2.1 Japan produced vacuum cleaner 

Japan some company to promote the family in 2002 to use vacuum cleaner robot's trial seize the opportunity [1] in the first half of the year. This robot may when according to the room shape the floor condition, the quantity of refuse carries on the automatic cleaning the work, first along the room all around will walk a memory room shape, then, while avoids the obstacle by vertical, the crosswise way back and forth to move carries on cleanly after the clearing completes, the automatic stopping This vacuum cleaner robot equipment has 50 sensors, but on the other hand on the one hand walks automatically carries on the cleaning. It uses the light and the ultrasonic wave range sensor, the feeling presses the sensor to avoid the obstacle; Built­in has the rotation sensor, uses for to control walks the posture maintains decides marches forward the direction; Has installed the rudder sensor, may examine marches forward the direction error which produces as a result of the rug pattern influence, even if therefore, in the shop has on rug's floor also to be able the straight line advance. In addition, this robot in vivo also installs has prevents heat source and so on dropping variance sensor which, sensation warming stove from high place and so on. Stair rolls down thermal seniors, to examine own receives the external force size definite weight sensor and the skid resistant sensor, the examination increase power load sensor. It may most little maintain with the ordinary obstacle 10 cm the distances but when surveys the heat source, will handle jointly with the heat source will maintain at least 50 cm the distances. Its contour size for wide 292 mm, long 367 mm, high 265 mm, heavy 9.8 kg, the maximum traveling speed is 30 cm/s. When the sensor survey on floor's trash, will enhance the suction to usual15 times, simultaneously the traveling speed drop will be 15 cm/s, will carry on the cleaning carefully. Will not be having

trash place by the 30cm/s speed migration the suction also 1O reduce, a charge may work 55 min will sweep clear 80 m2 the rooms, will vacuum the power is 90W. 

2.2 Australia's V4 vacuums robot 

Australia some company also to develop may go automatically and clean the room the V4 robot. This kind of completely automatic vacuum cleaner surface is smooth, the volume is very small, assumes the circular, the built­in acquisition radar, may search in each kind of room each, will not collide the furniture or other obstacles. Micro processes the small computer to cause it have is turning to roof pinnacle place can survey the direction, choice route of advance's ability. So long as place the completely automatic vacuum cleaner in the ground, it then may start to work automatically. Its acquisition radar can survey's away from the recent wall, is being suitable the first wall attracts floor dust the foreign matter all around; Then back and forth moves anomalous again in room other positions, and can before the close obstacle changes rapidly. Should vacuum the robot, because 360°has provided the obstacle sensor in main engine's periphery, therefore may cleans the ground during the examination wall and obstacle; After cleaning the place which may go, robot on automatic shut­off power source. No matter the room contour and the area size, the ARNA guidance algorithm guidance robot all not covers up the region movement in any room to carry on the clearing in all directions, because robot guidance along room periphery, therefore it must found her spatial reference diagram, doesn't the robot need any programming \"where to teach it to go to\". This robot simplicity of operator only has 3 buttons：Starts the conclusion as well as the suspension so long as the people in laid aside simply in needed to sweep clear in the region or the room(this kind of completely automatic vacuum cleaner robot was very light, a hand might easy take up it), pressed down starts the button then. 

2.3 Swiss trilobita vacuum cleaner is small “the trilobita” 

Is Switzerland develops the production the completely automatic vacuum cleaner. Is small “the trilobita” high 13cm, diameter 35cm, the surface is smooth, assumes the circular, the built­in acquisition radar, may survey rapidly and avoids the table leg, the glassware, the pet or any other obstacles. Once micro processes the small computer to distinguish these obstacles, it may choose the route, and makes to the entire room judges and calculates, guaranteed that the room each corner is swept clear. And so on some do not have the natural barrier place in the staircase stair, so long as has magnet, will be small “the trilobita” then not to surmount. After being small “the trilobita” starts the start, I vivo acquisition radar can survey is away from the recent wall, is being suitable the first wall attracts floor dust and the foreign matter all around, it then can survey like the entire room the pattern, calculates time which the cleaning entire room needs. So long as a close obstacles, it will then establish the line of march, will not leave out each corner. Is small “the

trilobita” attracts brushes installs the Chinese dress to have a patent design pulley, may cross the electric wire or the rug edge, is not impeded. When power source insufficiency, will be small “the trilobita” to return to charge automatically Booth to charge voluntarily. If this time room did not have the cleaning to finish, is small “the trilobita” to have the memory function, after sufficient good electricity, return to the original position to continue to vacuum. 

2.4 American Rumba (Roomba) vacuum cleaner 

By the American some institute artificial intelligence laboratory development’s wisdom automatic vacuum cleaner, the utilization artificial intelligence revolution and the guidance detection technology, cleans each inch floor intelligently, the real suction hole which and revolving matching is in sole possession of brushes, the clean effect is specially good. By the American TIME evolution was in 2002 one of coolest inventions. So long as presses down the switch, the Roomba completely automatic will assign the region to vacuum cleans, bumps into obstacle servo­assisted steering, will meet the staircase also automatically to detect cannot fall down, the special real suction hole, revolving will brush with revolving side brush the design, regardless of will be the rug or the floor, clean will be very convenient. Highly only some 10 cm, diameter 34 cm Roomba may with case sneak under the bed bottom or the sofa carries on cleans. The Roomba pattern is by mathematics operation idea design movement route. After Roomba start, will follow the spiral­shaped route revolution, by the helix revolution way which will expand gradually covers the space, when will bump will touch the wall or the furniture and so on large­scale obstacle, its special obstacle induction regulator can resist the wall surface protection fuselage not to receive damages, Roomba along the wall or the furniture advance, by now the body side hair brush sweeps into the corner perhaps the furniture edge sully dust detritus in the vacuum cleaner. Have swept clear part of space after the wall or the furniture, Roomba will transfer a 90°direction and sweeps the room according or the above route another head, was so alternately redundant, the screw revolution route to be possible back and forth to attract the room, the cleaning finishes namely the automatic stopping. This only heavy 2.5Kg, selects the charge method the vacuum cleaner convenience to be practical, the selling price is only 200 US dollars, already went on the market in Europe and America. 

2.5 Domestic present situation 

Domestic also started the related research development work at present, specially was moving robot’s movement plan and the control aspect has achieved certain achievement, vacuumed the robot for the research developed the omni­directional motion ground cleaning robot, this robot’s control system could explain the remote control signal accurately, and to organism issuing working order, momentarily received “the eye”(i.e. infrared light electric switch and supersonic

sensor) the sensation four direction exterior barrier information, and requested the robot to make straight line or to change the movement according to the above, marched forward, it did not stop rotates the floor to brush, filled in “the stomach” completed the ground in dust, this kind of robot one time charged works sustainably for a half hour, had the intelligent power source management function, lengthened the running time, the average each minute running speed is 15m. in addition, should vacuum the robot to use the open style robot control structure, realizes the hardware to be possible to expand, the software to be possible to transplant, may to integrate, enables the robot to have the better function compatibility as the service carrier. At the same time, other colleges and universities to moved vacuum the robot also to do the massive research work, has made many progresses. 

3 Vacuum robot’s key technologies 

A idealization to vacuum the robot assembly system to be usually composed of four parts: the shifting mechanism, the sensation system, the control system and vacuum the system. The shifting mechanism is vacuum robot’s main body, had decided vacuum cleaners’ movement space, uses the wheeled organization generally; the sensation system uses the ultrasonic wave distance gauge, the contact and the close sensor, the infrared sensor and the CCD camera generally and so on; along with the recent years computer technology, theartificial intelligence technology, the sensing technology as well as the motion robot technology’s rapidly expand, vacuumed the robot control system’s research and the development has had the solid foundation and the good prospects for development. Vacuums robot’s control and the working conditions often is indefinite or changeable, must therefore give dual attention to the security reliability, the anti jamming as well as understand the environment through the suitable modeling method, obtain the environment more information, in recent years indicated to intelligent robot’s research, regarding the work in the multiple structure environment’s independent­ like migration robot, must further enhance its independent degree, mainly depends upon the pattern recognition and the intelligence method, but also needs to further develop the overall situation model, thus gains the overall situation information influence big key technologies is : the multi­sensor fusion technology, vacuum the technology, the Chinese Journal of Power Source and so on. 

3.1 Way plan technology 

The way plan is the working conditions information which arrives according to the robot sensation, according to some kind of optimized target, plans one in the initial station and the target point with the environment barrier non­collision’s way, and realizes must sweep clear the region the reasonable complete way cover, its essence is moves in the robot rate process the guidance and evades bumps. The robot working conditions are different, divide into the static structurization

environment, the dynamic sixth branch to know the environment and the dynamic indefinite environment. Since the 1970s research, has moved robot’s way plan to be different according to the robot gain environmental information way, divides into three type[3] approximately: ①Based on the model way plan, mainly processes the structurized environment, the plan method has the grid law ,to be possible the view law, the analysis sites law and so on; ②Based on the sensor information’s way plan, mainly uses in the non­structurized environment, overcomes the factor which the environmental condition or the shape are unable to predict that the method has the artificial potential field law, the determination grid law and the fuzzy logic algorithm and so on; ③behavior based mobile robot path planning is the light mobile robot path planning problem for research in the new trends, is the navigation problem is decomposed into many relatively independent unit that acts primitives such as collision avoidance, target tracking, guidance. With the development of computer technology and the development of sensor technology, multi­sensor integration and information fusion technology in intelligent robot has obtained the widespread application, unstructured environment, mobile robot is the robot technology development, based on multi­sensor information fusion for mobile robot obstacle avoidance strategy and path planning technology is one of the key technology for. 

3.2 Multi­sensor fusion technology 

In order to make the robot vacuum cleaners work, must be on the position of the robot, posture, speed and system state monitoring, and robotic perception the working environment of static and dynamic information, the robot cleaner corresponding work order and operation content can be naturally adapt to changes in the work environment, usually divided into internal and external sensor, wherein the internal sensor encoder, linear accelerometer, gyroscope, magnetic compass is used to control and monitor the robot itself; the external sensor includes visual sensors, ultrasonic sensors, infrared sensors, contact and proximity sensor, installed in the robot itself for the sense of purpose external environment information. From the domestic cleaning robot can be seen, the cleaning robot uses a large number of sensors, effectively putting a lot of sensor observation information fusion processing, thus enabling the robot to obtain the most substantial external environment information, its main advantage is in the same observation conditions, can coordinate the use of multiple sensors, the distributions in different positions the more homogeneous or heterogeneous sensor provided by the local incomplete measurements and related database of relevant information to be integrated, elimination of multiple sensor has complex and contradictory, and complementary, to reduce uncertainty, and thus access to the object or environment consistency description, this is a single sensor cannot be obtained. Application of multi­sensor fusion technology to improve the mobile robot, obstacle recognition environment

modeling, obstacle avoidance accuracy plays an important role in fusion methods mainly include: the Kalman filtering method, Bayes estimation method, statistical measures, D ­ s inference method, fuzzy logic method and production rules. 

3.3 Vacuum technical 

The vacuum cleaner is composed of high­speed rotation of the fan in the body is formed inside a vacuum thereby to produce strong airflow, the dust and dirt suction through the suction machine body of dust filter bag. Vacuum system includes a dust filter, dust bag, exhaust pipes and other accessories, the dust suction capacity depends on the size of the fan speed. Recently, an Australian company developed a new principle of air dust filter. The vacuum cleaner is a closed system, neither the external air suction, and inorganic from gas discharge, so no dust filter, dust bag, an exhaust pipe and other accessories the principle is to use the Coanda effect to form a low pressure gas vortex, the sediment trapped within the vortex chamber of vacuum cleaner. 

3.4 Chinese Journal of power sources 

Mobile power in cleaning robot plays an important role, it is the source of life of cleaning robot. Mobile power required for moving mechanism with power, control circuit for providing a stable voltage, for vacuum operation module and sensing observation module providing energy. In this field, generally used as mobile power chemical batteries, lead­acid batteries, such as NiCd, NiMi ideal power supply in the discharge process should be able to have: ① to maintain a constant voltage; the small resistance to quickly discharge; ③ rechargeable; the cost is low characteristic. But without a battery may also have these advantages. As a result of indoor mobile robot with small volume, light weight, so the power of the volume weight is also an important consideration, which requires the designer to select a small size, large capacity, can be repeated use of high battery, as much as possible to increase suction machine uninterrupted working time. 

4 Conclusion with forecast 

Robot vacuum cleaner as a service robot in the field of a new product, will make people in the unattended condition easily complete the indoor environment cleaning work. Therefore, the cleaning robot can mass production to reduce costs, lower prices to enter the market, will have a great market prospect, relevant information is also predicted the cleaning robot is the next few years demand is the largest service robot. Although the country by external cleaning robot research and development has made some achievements, but the cost is too high and many key technical problems to be solved mainly in the following 3 aspects: 

(1)at present, the high price is a serious major factors affecting cleaning robots into the home appliance market, in order to significantly reduce the cost, must develop a smart sensor dedicated motion control of digital processing chips; Secondly should see the application of Bluetooth

technology in the household appliance industry, through the use of Bluetooth technology to transfer the digital processor of high cost on the user's PC, is expected in the short term to reduce the cost of cleaning robots in thousand Yuan. 

(2) future of sucking dust robot will to independent type and artificial intelligent of development, so must combination existing of based on since adaptation control, and forecast control, and fuzzy logic, and neural network, mobile robot movement planning and control technology, research on environment obstacles with does security reliable of anti­collision function of intelligent movement planning and controller and the efficient of sensor fusion algorithm, is in reality environment in the implementation has good of since adaptability and robustness behavior of robot of key. 

(3) power supply technology is one of the core problems of cleaning robots work, in addition to robot movement outside, dust control and power circuits, also need to optimize automatic charging, charge to ensure the robot can keep up to date with auto­complete cleaning tasks for the specified environment. Study of improving life expectancy, reducing the volume of chemical batteries at the same time, a new proton exchange membrane fuel cell with big power, high energy, long life and small advantages, provided a suitable power supply for mobile power, at present, the Shanghai fuel cell research at a University in this area is a good attempt. As the key technology of cleaning robots and price­performance continues to improve, or improve, believed on the basis of existing software and hardware conditions, will be launched within the next few years affordable automated cleaning robots, which in turn can make cleaning robots just like regular appliances go into millions of households, for this market and high­tech products bring considerable economic benefits. 

家用服务型吸尘机器人的发展与现状

1 引言

近年来，随着中国工业快速的发展，吸尘器的产量大幅增加，在我国市场具有旺盛的生 命力。 随着社会的进步和发展，人们的物质和精神生活质量的提高，迫切需要从繁重的清 洁够工作解脱出来。由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人,它将移动机器人技术和吸尘技

术有机地融合起来，实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁，因此具有 广阔的市场前景。本文针对清洁机器人，就国内外研究现状及其关键技术进行了介绍，并对 吸尘机器人近期发展中的若干问题进行了探讨。

2 国内外吸尘机器人研究现状

目前在欧美日等发达国家，吸尘机器人开发较早，应用范围也较广近两年来，已经开发 出多种面向市场的智能吸尘机器人人。

2.1 日本产吸尘器

日本某公司 2002年上半年推出了家庭用吸尘器机器人的试制机。该机器人可以根据房 间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫，工作时，首先会沿房间四周走一圈记忆房间形 状，然后在避开障碍物的同时以纵、横向方式来回移动进行清洁，清洁工作完成后会自动停 止。该吸尘器机器人各各有 50 个传感器，可以一边自动行走以便进行清扫。它利用光及超 声波的测距传感器、感压传感器来避开障碍物；内置有回转传感器，用来控制行走姿势以保 持既定的行进方向；安装了方向舵传感器， 可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向 偏差，因此即使在铺有地毯的地扳上也能够直线前进。 此外，该机器人体内还安装有防止 从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小确定 的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器。它可以同普通的障碍物最少保持 l0cm的距离， 而在探测到热源时， 将会同热源至少保持50cm的距离。 其外形大小为宽292mm ×长 367mm×高 265mm，重 9.8kg，最大移动速度为 30cm/s。当传感器探测到地板上的垃 圾时，会将吸力提高到平时的 15 倍，同时将移动速度下降为 l 5cm/s，仔细地进行清扫。在 没有垃圾的地方会以 30cm/s 的速度移动，吸力也会降低，一次充电可以工作 55min，清扫 80m2 的空间，吸尘功率为 90w。 

2.2 澳大利亚的 V4吸尘机器人

澳大利亚某公司也研制出可自动行驶并打扫房间的 V4 型机器人，这种全自动吸尘器表 面光滑，体积很小，呈圆形，内置搜索雷达，可以搜索各种房间里的每一出，不会碰撞家具 或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向，选择前进路线的能力。只 要将全自动吸尘器放在地面上， 它便可自动开始工作。 其搜索雷达会探测出距离最近曲墙壁， 先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽；然后再不规则地来回移动于房间的其它位置，并 且能在接近障碍物之前迅速转向，该吸尘机器人由于在主机的周围 360°配备了障碍物传感 器，因此，可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面；当打扫完可以行驶的场所后机器人就 自动关闭电源，不管房间的外形及面积的大小、ARNA导航算法引导机器人在任何房间的 所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作，因为机器人导航沿房间的周围， 所以它要创建自 己的空间参考图，机器人不需要任何编程“教它该去哪里” 。该机器人操作简单仅有 3 个按 钮：开始、结束以及暂停，人们只要简单地将它放置在需要清扫的区域或房间中（这种全自 动吸尘器机器人很轻，一只手就可以容易拿起它），按下开始按钮即可。

2.3 瑞士三叶虫吸尘器

小“三叶虫”是瑞士研制生产的全自动吸尘器。小“三叶虫”高 13 cm，直径 35 cm， 表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿宠物或任何其 它障碍物。一但微赴理小电脑识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重 新判断与计算以保证房间的各个角落都被清扫。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地 方，只要要有一条磁铁小“三叶虫”便不会跨越。小“三叶虫”开始启动后，体内的搜索雷 达会探测出距离最近的墙壁，先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽，这样它便能探测出 整个房间的格局计算出清扫整个房间所需的时间。 只要接近障碍物，它便会重新设定行进路 线不会楼掉每一个角落。小“三叶虫”的洗刷装置中装有一只专利设计滑轮，可以越过电线 或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫”会自动回到充电卡座自行充电。如果此 时房间还没有清扫完毕，小“三叶虫”具有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘。 

2.4 美国伦巴（Roomba）吸尘器

由美国某学院人工智能实验室开发的智慧型自动吸尘器， 运用人工智能运转与导航侦测技 术， 聪明地打扫每一寸地板。 它搭配独有的真空吸孔与旋转刷， 清洁效果特别好被美国 TIME 评选为 2002 年最酷的发明之一。只要按下开关 Roomba 就会全自动在指定区域吸尘打扫、 碰到障碍物会自动转向，遇到楼梯也会自动侦测，不会掉下去。特殊的真空吸孔、旋转刷与 旋转边刷设计论是地毯或地板清洁都很方便，高度仅有 10 cm、直径 34 cm的 Rooba 能轻松 钻进床底或沙发底下进行打扫。Roomba 的运转模式是以数算理念设计运行路线，当 Roomba 启动之后，会循螺旋状路线运转，以渐渐扩大的螺旋形运转方式来涵盖空间，一旦 碰触到墙壁或家具等大型障碍物时， 其特殊的障碍物感应调节器会抵住墙面保护机身不受损 伤，Roomba 就会沿着墙壁或家具前进过时，体侧边的毛刷就会将墙角或是家具边缘的脏污 灰尘碎屑扫入吸尘器内，沿着墙壁或家具清扫过一部分空间之后 Roomba 会转个 90°方向， 并依以上的路线清扫房间的另一头， 如此交叉重复、 螺旋运转的路线可以来来回回吸遍房间， 清扫完毕即自动停止。这个仅重 2.5 kg，采用充电方式的吸尘器方便实用，售价仅为 200 美 元在欧美已经上市。 

2.5 国内现状

国内目前也已开始有关的研究开发工作， 特别是在移动机器人的运动规划与控制方面取 得了一定的成就，为研究开发吸尘机器人奠定了技求基础。某大学开发研制了全方位移动地 面清扫机器人，该机器人的控制系统能够准确解读遥控信号，并对机体下达工作指令，随时 接性“眼睛” （即红外光电开关和超声传感器）感知的四个方向的外部障碍信息，并据此要 求机器人做直线或转自运动，行进中，它不停转动地板刷把地面上的灰尘全都填进 “肚”内。 这种机器人次充电可持续工作半小时，具有智能电源管理功能，延长了运行时间，平均每分 钟行走速度为 15 m。此外该吸尘机器人采用开放武机器人控制结构、实现硬件可扩展，软 件可移植、可集成，使得机器人作为服务载体具有更好的功能适应性。同时，其它院校对移

动吸尘机器人也做了大量研究工作，取得了不少的成果。 

3 吸尘机器人的关键技术

一个理想化的吸尘机器人系统通常由四个部分组成：移动机构、感知系统、控制系统和 吸尘系统移动机构是吸尘机器人的本体，决定了吸尘器的运动空间，一般采用轮式机构；感 知系统一般采用超声波测距仪接触和接近传感器红外线传惑器和 CCD摄像机等；随着近年 来计算机技术人工智能技术传感技术以及移动机器人技术的迅速发展， 吸尘机器人控制系统 的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。 吸尘机器人的控制与工作环境往往是 不确定的或多变的，因此必须兼顾安全可靠性抗干扰性以及清洁度。用传感器探测环境、分 析信号，以及通过适当的建模方法来理解环境，获得环境的更多信息，近年来对智能机器人 的研究表明对于工作在复杂结构环境中的自主式移动机器人，要进一步提高其自主程度，主 要依靠模式识别及障碍物识别、 实时数据传输及适当人工智能方法，还需要进一步开法全局 模型，从而为机器人获取全局信息。目前发展前景较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键 技术是：路径规划技术、多传感器融台技术、吸尘技术、电源技求等。 

3.1 路径规划技术

路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息，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于碰撞的路径，并且实现所需清扫区域的合理完全路程覆盖，其 实质就是移动机器人运动过程中的导航和避碰。机器人工作环境不同分为静态结构化环境、 动态已知环境和动态不确定环境。自 20世纪 70 年代研究以来，移动机器人的路径规划按机 器人获取环境信息的方式不同大致分为三种类型： ①基于模型的路径规划主要处理结构化环 境，规划方法有栅格法、可视图法、拓扑法等；②基于传感器信息的路径规划，主要用于非 结构化环境， 克服环境条件或形状无法预测的因素方法有人工势场法、确定栅格法和模糊逻 辑算法等；③基于行为的移动机器人路轻规划是移动机器人路径规划问题研宄中的新动向， 就是把导航问题分解为许多相对的单元即行为基元如避碰、跟踪、目标制导等。 随着 计算机技术和传感器技术的发展， 多传感器集成与信息融合技术在智能机器人上获得了广泛 的应用，非结构化环境下，移动机器人是机器人技术发展的重点，基于多传感器信息融合的 移动机器人的避障策略及其路径规划技术是其中的关键技求。 

3.2 多传感器融合技术

为了让吸尘机器人正常工作， 必须对机器人位置、 姿态、 速度和系统内部状态进行监控， 还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息， 使得吸尘机器人相应的工作顺序和操作内 容能自然地适应工作环境的变化，通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器， 其中内 部传感器有编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等用于控制和监测机器人本身；外部传感 器包括视觉传感器、超声波传感器、红外线传感器、接触和接近传感器等，安装在机器人自 身用于感目外部环境信息。从上述国内外吸尘机器人可以看出，吸尘机器人都采用了大量的 传感器，有效地把大量的传感器观测信息进行融合处理，从而使机器人获得最大量的外部环

境信息，其主要优点就是在同样的观测条件下，可以协调使用多个传感器，把分布在不同位 置的多个同质或异质传感器所提供的局部不完整观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杂和矛盾，并加以互补，降低不确定性，从而获得对物体或环 境的一致性描述，这都是任何单一传感器所无法获得的。 运用多传感器融合技术对提高移 动机器人定位、障碍物识别环境建模、避障的精度等具有重要作用融合的主要方法有： Kalman滤波法、Bayes 估计法、统计对策法，D—s推理法、模糊逻辑法及产生式规则等。 

3.3 吸尘技术

真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流， 将尘埃和脏物 通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。 吸尘系统包括滤尘器、 集尘袋、 排气管以及其它一些附件， 其吸尘能力取决于风机转速的大小。 最近， 澳大利亚某公司开发出采用新原理的气流滤尘器。 这个吸尘器是一个全封闭系统， 既无外部气体吸入， 也无机自气体排出， 所以就无需滤尘器、 集尘袋、排气管等附件其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体，最后将沉渣截留于吸尘 器内的涡流腔内。 

3.4 电源技术

移动电源在吸尘机器人中的地位十分重要，可以说它是吸尘机器人的生命源。移动电源 需同时为移动机构提供动力，为控制电路提供稳定的电压，为吸尘操作模块及传感观测模块 提供能源等。在这一领域，一般采用化学电池作为移动电源，如铅酸电池、NiCd、 NiMi 等理想的电源在放电过程中应该能够具备：①保持恒定的电压；②内阻小以便快速放电；③ 可充电；④成本低等特点。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点。由于室内移动机器 人要求具有体积小、自重轻等特点，所以电源的体积重量也是一个重要的考虑因素，这就要 求设计人员选择一种体积小、容量大、可重复使用性高的电池，尽可能增加吸尘机器人的不 间断工作时间。 

4 结论与展望

吸尘机器人作为服务型机器人领域中的一个新产品， 将使人们能在无人看守情况下轻松 地完成室内环境的吸尘等清洁工作。 因此，该吸尘机器人如能大批量生产使成本降低，以 低价格进入市场，将会具有巨大的市场前景，有关资料也预测吸尘机器人是未来几年需求量 最大的是服务机器人。 尽管目前国由外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果，但成 本过高和许多关键技术问题急待解决主要有以下3 个方面： 

(1)目前，价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素，为了大幅度降低 其成本，必须开发智能传感器专用运动控制的数字处理芯片；其次应该看到蓝牙技术在家电 行业的应用前景，通过采用蓝牙技术将过高的数字处理器成本转移到用户的个人电脑上，则 有望在短期内将吸尘机器人的成本降低在千元左右。 

(2)未来的吸尘机器人将向自主式和人工智能化发展，因此必须结合现有的基于自适应 控制、 预测控制、模糊逻辑、神经网络等移动机器人运动规划和控制技术，研究对环境障

碍具确安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器及高效的传感器融合算法， 是在现实 环境中实现具有良好的自适应性和鲁棒性行为的机器人的关键。 

(3)电源技术是吸尘机器人研究工作的核心问题之一，除了为机器人运动、吸尘及控制 电路提供能量外，还需优化自动充电力案， 保证机器人能及时进行充电能够自动完成对指定 环境的吸尘任务。在研究提高化学电池使用寿命、缩小体积的同时，一种新兴的质子交换膜 燃料电池具有功率大、 能量高、 寿命长和体积小等优点， 为移动电源提供了一种合适的电源， 目前，上海某大学燃料电池研究所在这方面进行着有益的尝试。随着吸尘机器人关键技术和 性能价格比的不断提高或改进， 相信在现有的软硬件条件的基础上，未来几年内就会推出价 格适中的全自动吸尘机器人产品，进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千万户，为 这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益。