智能清潔機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r淺析

褥銅，趙晨

（順德出入境檢驗檢疫局技術(shù)中心，廣東 佛山 528303）

智能清潔機(jī)器人集機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能等諸多科技為一體，不僅是一種環(huán)保、智能型的服務(wù)機(jī)器人，還具有良好的應(yīng)用前景和廣泛的市場需求，近年來智能清潔機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用受到國內(nèi)外的廣泛重視，其技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用也越來越廣泛。

1 國內(nèi)外發(fā)展情況

1.1 國內(nèi)相關(guān)研究情況

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)堯李慧、田雷與黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院蔡曉華、侯云濤對牛舍清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與避障設(shè)計進(jìn)行分析與研究，并結(jié)合迂回式路徑規(guī)劃算法和靠墻或牛欄等障礙物的避障策略，實現(xiàn)清潔機(jī)器人對牛舍的全方位清掃工作。

中國計量大學(xué)的鄭哲恩、孫堅、沈斌，利用工業(yè)相機(jī)拍攝粉塵，經(jīng)過MALTAB處理之后對粉塵面積進(jìn)行計算，并利用清潔機(jī)器人進(jìn)行清潔，根據(jù)清潔效率計算得出清潔機(jī)器人的清潔性能。

解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院茅靳豐、朱國棟、張虎、宋威，根據(jù)風(fēng)管機(jī)器人視覺檢測系統(tǒng)的組成，包括照明系統(tǒng)、攝像頭、圖像采集卡、圖像采集軟件以及圖像分析軟件，利用Matlab的圖像處理功能對采集到的風(fēng)管內(nèi)部圖像進(jìn)行預(yù)處理，并依據(jù)特定的算法對其清潔度進(jìn)行評估。

東南大學(xué)的陸曉敏，吳浩真，韓可炯，秦家晨設(shè)計了一種基于MSP430f149 的智能清潔機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人依靠車體的風(fēng)機(jī)裝置吸附在玻璃上，可以自動完成路徑規(guī)劃、探測窗戶的邊角距離、自動清潔窗戶。實現(xiàn)使用設(shè)計的機(jī)器人來代替人進(jìn)行高空作業(yè)，在高層建筑中對外壁玻璃上的粉塵和其他污物進(jìn)行清潔。

東北林業(yè)大學(xué)的王振秋、薛建琪、張宇崴、狄海廷針對變直徑桿件，設(shè)計一種爬桿清潔機(jī)器人。模擬人的上肢和下肢，輪流夾緊桿體，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，實現(xiàn)機(jī)器人的攀爬運(yùn)動，在機(jī)器人攀爬過程中實現(xiàn)自動清潔。

廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院的陳朝大和廣州航海學(xué)院的呂志勝針對紅外避障檢測和絕對定位的局限性，對智能尋跡的清潔機(jī)器人進(jìn)行研究。機(jī)器人采用超聲波傳感器配合伺服電機(jī)構(gòu)成自動避障系統(tǒng)，對室內(nèi)未知環(huán)境進(jìn)行探測，提出了多路徑融合規(guī)劃控制算法，使機(jī)器人能夠完成自主全區(qū)域覆蓋行走。

由此可見，國內(nèi)智能清潔機(jī)器人研究主要集中在對障礙物的躲避以及特殊區(qū)域的清潔方面，研究應(yīng)用范圍主要包括高空清潔、管道清潔、牛舍清潔等，對更為復(fù)雜環(huán)境的清潔能力檢測方面研究較少，利用靜態(tài)圖像進(jìn)行分析和評估以及終端特殊機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計是目前主要的技術(shù)研究方向。

1.2 國外相關(guān)研究情況

由新加坡國際和南洋理工大學(xué)控制專家Elid開發(fā)的機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)Outobot，展示了一個能夠清潔和油漆高層建筑外部的機(jī)器人，聲稱提供一個更安全和更有效的替代人工清潔的方法，清潔水平達(dá)到了一個新的標(biāo)準(zhǔn)。

韓國的Jin-Ho Suh等人發(fā)明了一種更為高效的水下清洗機(jī)器人研制平臺，平臺可用于研制和設(shè)計可滿足應(yīng)用在工業(yè)清潔工作領(lǐng)域中的水下清洗機(jī)器人性能，所開發(fā)水下清潔機(jī)器人的方法，可用于實現(xiàn)清洗不同類型的工業(yè)水箱的功能。

英國的Jo?ao Mouraa B等人提出了一種駕駛室前清掃機(jī)器人的控制和路徑規(guī)劃方法。所提出的解決方案包括研究機(jī)器人之間的相互作用機(jī)械手聯(lián)合清潔一個未知的表面，并在制定操作空間的實施的同時，通過力和位置控制末端執(zhí)行器的軌跡，從一個光柵實時的掃描到被清潔表面與局部的自適應(yīng)路徑表面幾何的細(xì)微差別。

英國的Tetsuo Tomiyama等人介紹了列車駕駛室前部清掃機(jī)器人的系統(tǒng)和概念設(shè)計方法。對現(xiàn)行程序進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)過程中可能出現(xiàn)的空白，并產(chǎn)生一個滿足這些要求的清潔系統(tǒng)概念設(shè)計的要求清單。提出的解決方案包括系統(tǒng)在不同子系統(tǒng)中的劃分，每個子系統(tǒng)的不同解決方案將被考慮、分析和選擇。并研究機(jī)器人末端執(zhí)行器的主要結(jié)構(gòu)，設(shè)計出符合系統(tǒng)要求的終端。

英國的Konstantinova博士的清潔機(jī)器人指尖技術(shù)在瑪麗女王的先進(jìn)機(jī)器人中心展示。其通過使用車載攝像機(jī)和激光來創(chuàng)建地圖，掃描靜態(tài)物體，而忽略了諸如人或?qū)櫸镏惖摹皠討B(tài)”物體，從而學(xué)習(xí)新的環(huán)境。信息存儲在機(jī)器人的硬盤驅(qū)動器中，可以被編程來拾取特定的東西。

斯里蘭卡開放大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的H.G.T.Milinda等人研究了地板清潔泥和臟污分離法的機(jī)器人。提出了一種檢測方法，使用攝像機(jī)圖像識別在紋理表面上的各種污垢。這個算法的目的是去除圖像的規(guī)則部分，頻譜殘差濾波只留下污垢和一些噪聲，提出一種在地板上鑒別泥漿的新方法。并隨著進(jìn)一步的后處理，可以在圖像中對多種污垢進(jìn)行定位。

Sumroengrit Jakkrit等人提出了基于amethodoflaser的漂浮垃圾表面檢測機(jī)器人，對事先未知位置的廢物進(jìn)行尋找。該方法基于激光折射和反射的概念，提出了基于激光技術(shù)的漂浮物檢測方法。工業(yè)廢物檢測器被構(gòu)造并安裝在機(jī)器人上，通過計算激光測距的廢物位置，建立五自由度運(yùn)動方程，以及由外部風(fēng)力和水面張力影響的機(jī)器人運(yùn)動。在平靜的池塘上進(jìn)行試驗的結(jié)果表明，所提出的經(jīng)濟(jì)廢物檢測方法成功地識別和定位了漂浮在水面上的塑料瓶在5米范圍內(nèi)的位置。

斯坦福大學(xué)工程師MarkCutkosky在美國國家航空和航天局和噴氣推進(jìn)實驗室已經(jīng)開發(fā)出一種機(jī)器人夾持器，受到壁虎腳使壁虎能在墻爬行的原理啟發(fā)，實現(xiàn)在缺乏大氣壓的環(huán)境下使用粘合的方式。研發(fā)小組開發(fā)了一個小的夾具應(yīng)用到國際空間站，由于很多航天材料為非磁性材料，不能使用磁力進(jìn)行抓取，使用這種像壁虎腳的夾具，研究者的手只要按特定的方向推，只需要很小的力就能實現(xiàn)對物體的抓取，所以在太空清潔中特別有用。

Joshua D. Langsfeld等人提出了一種方法來估計彈性變形物體的剛度特性，同時在機(jī)器人清洗系統(tǒng)中進(jìn)行處理。機(jī)器人系統(tǒng)利用其當(dāng)前的部件變形行為模型來規(guī)劃抓取和清洗臂的動作，并試圖通過在零件上使用少量抓取位置的計劃來盡量減少整個清洗時間。采用有限元方法對零件變形進(jìn)行建模，提出了一種修正模型剛度參數(shù)的通用更新算法，以適應(yīng)在清洗過程中觀測到的變形數(shù)據(jù)。這使得系統(tǒng)能夠很快地找到正確的位置來掌握零件，以盡量減少變形。該方法比之前的研究工作取得更好的結(jié)果：更平滑，同時減少了兩倍的參數(shù)估計誤差，并且實現(xiàn)更快的收斂。

由此可見，國外研究智能清潔機(jī)器人的應(yīng)用范圍十分廣泛，除了高層建筑清潔機(jī)器人等常規(guī)機(jī)器人外，還研究比如水下、水面、不規(guī)則平面、彈性物體、太空等更為復(fù)雜環(huán)境的清潔，對機(jī)器視覺的識別、聯(lián)合協(xié)作、智能化、終端機(jī)械結(jié)構(gòu)等都有更為深入和前沿的研究。

2 結(jié)語

隨著國內(nèi)智能清潔機(jī)器人市場的發(fā)展，相比國外成熟的市場，國內(nèi)市場前景更廣闊，而且在關(guān)鍵技術(shù)上，國內(nèi)企業(yè)也在快速趕上。通過分析智能清潔機(jī)器人發(fā)展，為相關(guān)企業(yè)做技術(shù)研發(fā)方向提供服務(wù)，對于提高我國智能清潔機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平，以及提升我國在國際智能清潔機(jī)器人市場的競爭力有著積極的意義。

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