服务型机器人技术论文

服务型机器人技术

应用现状与前景

课程名称：机器人技术

任课老师：张燕

学院：园艺园林学院

专业：园艺（花卉与景观设计方向）

班级：09级（1）班

姓名：熊天智

学号：20090203310024

服务型机器人技术应用现状与前景

（海南大学园艺园林学院熊天智）

摘要：现代机器人的诞生标志着人类对于智能机器的梦想开始变成现实，这对人类社会来说是一场革命。现在，各种类型的机器人正逐渐进入人们的生产和生活，对人类社会产生着日益重大的影响。服务型机器人是作为机器人类型中最为实用而最贴近生活的存在，作为服务型的机器人有室内办公环境服务型机器人、娱乐场所服务型机器人、家用服务型机器人等。今后的发展与应用前景大好、潜力巨大。

关键词：服务型机器人技术应用发展前景

Application Situation and Prospects of S ervice 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 revolution. 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 office 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，我国首台参考国内众多美女的长相合成的智能“美女机器人”亮相。根据指挥员的口令，“美女机器人”不仅能完成简单的前进、后退等动作，还可以跟人聊天讲笑话，可以在家中用摄像系统识别坏人。“在家里，机器人将会教孩子们学英语，给父母传送信息，当人们疲倦时，它还能即兴表演歌舞提神；在公共场所，它们可以充当邮局的服务人员，可以负责安全巡逻，还能搜寻闯入者的踪迹并把他们的图像传送到监视中心。”韩国专家介绍说。据韩国媒体报道，韩国计划在2013 年进入全球机器人技术前三强，到2020 年实现家家户户都有机器人。目前，韩国正在进行2007 年网络智能机器人大规模生产前的准备。韩国政府希望，就像上世纪80 年代半导体一跃成为高科技主力军一样，家用机器人将是本世纪初韩国高科技的领军产业。美国加州大学资深教授、机器人专家伍德·约翰教授在其专著《机器人产业的未来》中指出，对未来影响最大的4 项技术是：生物技术、纳米技术、巨型计算机技术和智能机器人技术。他认为，日本长期以来将机器人作为一个战略产业，并给予大力支持，这是政府决策的巨大成功，使日本在汽车、电子、机械、工程等方面处于世界领先地位获得了可靠的物质技术基础。越来越多的国家将机器人视为信息时代的“宠儿”，甚至认为机器人产业可能会像汽车产业一样，成为国家重要的经济支柱。

在这种战略思想驱使下，机器人市场日益成为人们开拓的重要目标。

目前，世界上至少有48 个国家在发展机器人，其中25 个国家已涉足服务型机器人开发。在日本、北美和欧洲，迄今已有7 种类型计40 余款服务型机器人进入实验和半商业化应用。日本是世界上发展服务型机器人最早的国家，目前已有10 多种服务型机器人问世。去年9月，开始向市场推出一种可以识别1 万个单词的智能机器人，可以为主人充当“家庭保姆”，这将是市场上首次出售用于家庭生活的可以与人交流的智能机器人，表明日本家庭将迎来机器人保姆时代[1]。

现代机器人的诞生标志着人类对于智能机器的梦想开始变成现实，这对人类社会来说是一场革命。现在，各种类型的机器人正逐渐进入人们的生产和生活，对人类社会产生着日益重大的影响。近50年来，机器人的发展突飞猛进，大致经历了三个发展阶段：第一代是属于示教再现型的简单个体机器人；第二代为具备初步感觉和协调能力的群体劳动机器人；第三代为具有感知能力和独立判断、行动能力的智能机器人。前两类机器人的活动范围往往局限在工厂生产线和特殊工作场合，如矿山、核反应堆、海底等。而智能机器人则更广泛地服务于人们生产和生活的各个方面，比如办公室的助手机器人，博物馆的导游机器人，医院的护理机器人，用于监视和安全防卫的机器人，水下勘测机器人，排雷除弹机器人等等。有第三代机器人之称的智能服务型机器人是当今机器人学科发展的重要方向[2]。

服务型机器人是作为机器人类型中最为实用而最贴近生活的存在，目前世界服务机器人的发展速度飞快，技术更新迅猛。以下为几种服务型机器人的发展现状：

1.室内办公环境服务机器人

为了适用于办公室等室内场所的履带式服务机器人平台，提高自主移动机器人控制系统的性能，选用高性能微处理器ARM9 系列的S3C2410 处理器作为移动机器人的控制中心，并在嵌入式Linux 系46统下实现机器人的控制。系统引入了多种环境感知器件，采用模糊逻辑实现准确的运动路线控制。该自主服务机器人由中央控制器、感知子系统、驱动子系统、电源系统组成。整体尺寸420mm×400mm×84mm。在移动机器人设计过程中，采用模块化设计，不同功能结构分别进行设计，各模块之间连接采用最优方式。

机器人中央控制器采用 ARM9 系列的 S3C2410处理器，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性，适合服务机器人系统使用。红外模块选用 DC12V 四路红外遥控收发器，该收发器有四组，共十二个接口。当按动红外发射器，有信号输入时，输出口输出常开口接入的电压。该发射器性能稳定，使用简单。电机驱动采用 L298N 芯片，L298N 具有体积小、操作电压范围大、抗干扰能力强、配备了散热片、输出电流大等性能，并且可以同时驱动两台电机。可通过改变 PWM 波形的占空比控制电机转速，还可控制电机转向。光电编码器的输出是两路相位不同的脉冲信号，据此可判断电机的转动方向。超声测距模块结构简单，体积小，检测距离为1．0cm～500．0cm（精确到 mm）。在测距范围、精度及功耗方面符合要求。出于对移动机器人工作环境的分析，采用将三个超声模块放置在移动机器人本体的前部，且两两夹角均为 45°，避免了超声模块之间的相互干扰。机械结构设计机器人平台由电动机、减速箱、驱动器和光电编码器组成。两台电机分别驱动左右轮为机器人提供动力，驱动器对电机的转速和转向进行控制，并通过光电编码器对电机的转速和位置的反馈进行不断地调整，它们共同组成一个闭环系统。基于机器人尺寸、重量和功耗等各方面的考虑，机器人采用双电机的差动驱动方式。电机为恒定励磁磁通的空心杯直流减速电机。电机部分还包括减速齿轮箱，用来降低输出的转速，同时增大输出力矩。电机的另一端连有光电编码器，实时进行位置和速度的检测。系统选用容量为 4．0Ah 的铅酸（LEAD －ACID）6V 可充电电池，能够连续使用超过 8 小时。考虑到电机的正常工作电压为 12V，使用 2 节上述电池串联直接给电机供电。另接出两路通过 LM2575 转换成 5V恒定电压分

别为驱动芯片 L298N 和 ARM 板供电。该机器人采用了履带差动转向方式。履带式具有支撑面积大、接地比压小、运动平稳、不易倾倒、不易打滑、牵引附着性能好等优点。每条履带由单个驱动轮驱动，通过分别控制左、右履带的速度完成各种基本动作。车轮为铝制齿形轮，并将车轮适度镂空以减轻重量[3]。

通过传感器来感知外部环境获得环境信息，采用模糊逻辑的方法对机器人进行运动控制，再通过无线通信模块实现导航控制，更好地满足了控制系统的要求。这种方案针对室内自主服务型机器人在成本和性能上做到了较好的折中，包括嵌入式平台的选择、功能模块的选择以及硬件平台的搭建。因而依靠简单的结构设计，经济的器件而拥有低廉的价格，同时具有良好的性能和广阔前景。

2.家用服务型机器人

家用机器人是现在最前端的研究方向，致力于解决人类生活中的困难而研发的家用机器人定能为人类分忧。

近年来，以机器人技术为代表的现代工业技术已经发展到了“无人车间”、“无人工厂”的水平，然而随着人们生活水平的提高，一种用机器人代替人类从事各种繁的家务劳动的需求也随之产生。正是基于此，家庭服务型机器人开始成为焦点，各种各样的服务型机器人也应运而生。清洁机器人是服务型机器人的一种。在西方发达国家，对办公室、工厂等场所，已经开始由清洁机器人来代替人完成各种清洁任务。随着科学技术的发展与人类文明的提升，人类希望摆脱家务劳动的繁琐，一旦清洁机器人的价格达到人们的心理承受能力以下，那么清洁机器人进入家庭的前景将被非常看好。

在日本，东日本铁路公司、shinko 电器公司和 Howa 工业有限公司联合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。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，一旦机器人与人接触，触觉传感器信号会使机器人停下来，以保证人的安全。这些应用还都是用于工业或者公共的场合，真正具有里程碑意义的是 2002 年 9 月清洁机器人“Roomba”在美国面市，这是一款面向家庭的机器人。重约2kg，直径为 762mm (30")，具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作，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”的动作有点迟缓，但却能稳定、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“Roomba”在家进行清扫。英国、

法国和澳大利亚也都推出过清洁机器人产品。在国内，对清洁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，哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等高校，也对清洁机器人进行了大量的研究，并取得了一些成果。这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质和技术基础。为了制作一个能够覆盖全区域的清洁机器人，首先是设计一个移动的平台。为了简便起见，设计了4 轮车身，其中两个前轮做主动轮，两个后轮做从动轮。主动轮用两个直流电机，从动轮用两个万向轮。吸尘装置用一个直流电机带动一个离心式风机产生负压达到吸尘的目的。在车身后部放置一个储存垃圾的箱体，此箱体带有一个用伺服电机控制的门，当垃圾装满后，可排放到指定的地点。在车身的最后还设计了一个抹地机械手，进一步达到清洁的目的[4]。

还有一种新开发的音控家用吸尘机器人也是比较尖端的研究成果。智能吸尘机器人能将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来,实现家庭、宾馆及写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁。吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者,因此具有广泛的市场前景,近年来已受到国内外的重视,成为服务机器人的一个新的研究方向。其研究开始于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。本文从实用化、低成本出发,研制实现了一种基于SPCE061A单片机控制的音控家用吸尘机器人。其独特之处在于利用信号处理技术,通过语音信号对吸尘机器人实施智能控制。本家用吸尘机器人通过语音命令控制吸尘机器人小车前进、后退、左转、右转等运动动作,以及吸尘器的工作状态。音频信号由特定语音发出,

经过无线话筒输入,通过吸尘机器人小车上的无线信号接收器将语音信号直接转化为数字信号,经过编码后存入存储器中,语音数字信号编码与存储器中的语音函数库中的原有数字信号编码相匹配,通过一定的音频处理算法进行模式识别。如果成功,则进行相应命令操作;识别失败,则等待语音命令再次输入。同时,音控家用吸尘机器人利用了超声波测距的原理,通过以单片机为核心的控制器在运行中实现对超声发射和接收的选通控制,并在处理返回脉冲信号的基础上对障碍物进行判断,选定相应的行走控制策略。机器人在移动过程中,由其自身携带的小型吸尘部件,对经过的地面进行必要的吸尘清扫。

设计完成的音控家用吸尘机器人经过反复测试,无线语音通信传输有效范围是小于20米的无障碍区域,在有效的范围内能准确对家用吸尘机器人进行控制。从发出语音指令到执行该指令的延时小于100ms,识别正确率大于95%。吸尘机器人在运动过程中可以实时响应语音控制命令,并且可以连续进行前进、后退、左转、右转等以及开始或停止吸尘等操作。同时,音控家用吸尘机器人能较好地自动躲避障碍物,完成在房间里的行走以及对地面吸尘等

功能,适应于障碍物较少的普通房间内作业。音控家用吸尘机器人不但在学术研究上有很高的价值,而且市场前景也十分开阔。本音控家用吸尘机器人的各独立模块也可以应用到其他的仪器,如音控玩具车、真实汽车的声控系统等场合[5]。

3.娱乐服务型机器人

娱乐机器人就是通过对一般的机器人进行一些拟人化的外形改造及硬件设计,同时引入相关的娱乐形式进行软件开发而得到的一种用途广泛、老少皆宜的服务型机器人。专家指出,在未来20~50年的时间内,机器人将逐步走入人们的日常生活,随着人们生活水平和娱乐追求的提高,娱乐机器人的需求量越来越大,尤其是玩具机器人,目前已成为诸多生产厂家追逐的热点。娱乐机器人在多机器人系统中的应用将是一种必然趋势。当前,娱乐机器人的开发主要集中在人机互动方面,而在多机器人系统中的应用还很少涉及。该设计面向多机器人系统中的娱乐机器人控制系统进行研究,该控制系统在完成其自身娱乐功能的同时,还满足其在多机器人系统应用中信息交互的需求。设计中的娱乐机器人控制系统实现了娱乐机器人运动控制功能和自定位功能,并采用蓝牙技术构建了Ad-Hoc网络[6-7],建立适合多机器人系统的无线通信网络[8]。娱乐的服务多种多样，比如在KTV，在舞厅，在酒吧，在各种娱乐场所都是可以引入机器人的先进技术的。

以上诸种服务型机器人是目前世界顶尖的技术，也是未来机器人发展的方向指向，当我们的生活已经被自己所造的机器人代劳的时候，人类又是如何的心态呢。是一种颓废的接受并完全依赖，还是将其应用的很到位，不会影响正常的生活安排呢。或许答案还需要等到那一天才知道。当然我相信那一天并不远了。

参考文献：

[1]刘林森.服务型机器人将于2015年大普及[N].中国计算机报，2006,9.11：A34.

[2]魏育成.智能服务型机器人的视觉人机交互与导航[D].中国科学院自动化研究所，2004.

[3]侴维超，卢翔，于凯妍，刘潇潇，陈守良.室内场所自主服务型机器人系统实现[J].计算机应用,2009（9）：46-49.

[4]王程明，盛定高.基于MC68HC11 单片机的多功能清洁机器人设计[J].装备制造技术，2008（12）：93-94.

[5]沈立,周四春,杨伟涛.音控家用吸尘机器人的实现[J].电子器件，2006（9）29,3：898-901.

[6]S Basagn,i C Pereiol.i Multihop Scatternet Formation forBluetooth Networks[C]. Taipei Taiwan: IEEE VehicularTechnology Conference, 2002: 424-428.

[7]Hasbullah, S Sulaiman,AM Said.Traffic analysis for QoSprovisioning in Bluetooth ad hoc network[C].Australasian.TelecommunicationNetworksandApplicationsConference,2007: 129-133.

[8]曹洁，白俊利.多机器人系统中娱乐机器人控制系统的设计[J].工业仪表与自动化装置，2010（3）：61-63.