徐志智 李天劍

摘要：時代在發(fā)展，社會在進步，室內(nèi)移動機器人雖然擁有飲食店的配送、銀行服務(wù)、機場清掃等各種各樣的應(yīng)用場景，但出于當(dāng)前部分的軟件以及硬件技術(shù)的不成熟的原因，無法大規(guī)模生產(chǎn)室內(nèi)機器人，也因此不能在市場上普及。在導(dǎo)航及定位技術(shù)層面，采用視覺傳感器可以獲得比激光雷達更豐富的環(huán)境信息，由此可以構(gòu)建更加準(zhǔn)確的環(huán)境地圖，不過現(xiàn)在的方法定位的魯棒性需要提高。還需要改善地圖構(gòu)筑方式。這篇文章基于地圖構(gòu)建方法、視覺定位理論優(yōu)化定位算法，討論如何實現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境下機器人的定位導(dǎo)航功能。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)；移動機器人；定位導(dǎo)航技術(shù)

第三次工業(yè)革命后，隨著突飛猛進的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，機器人技術(shù)越來越廣泛地進入人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活，極大地便利了現(xiàn)代人的日常生活，人們對機器人技術(shù)的要求也越來越高。在機器人科技領(lǐng)域，機器人定位導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)作為最新研究成果出現(xiàn)了，機器人能通過設(shè)置定位導(dǎo)航技術(shù)，將自己的任務(wù)完成得更加精確，我們可以說機器人科技的發(fā)展是被立體定位導(dǎo)航技術(shù)大大促進了。

一、關(guān)于室內(nèi)移動機器人的說明

（一）什么是室內(nèi)服務(wù)機器人

現(xiàn)在，服務(wù)機器人的初步定義如下：服務(wù)機器人是可以完成對人類健康有益的服務(wù)，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備的半自主或完全自主作業(yè)的機器人。它是可以移動的機器，根據(jù)現(xiàn)實情況，服務(wù)機器人與能夠在其上由一個移動平臺構(gòu)成的機器人手臂的控制方式相同，在此所說的室內(nèi)服務(wù)機器人是能夠在室內(nèi)的作業(yè)環(huán)境下自主移動的智慧機器。

（二）什么是室內(nèi)移動機器人的基礎(chǔ)特質(zhì)

與工業(yè)機器人相比，在使用上，體積相對較小、需要自備電源、通用性較強，以及具備智能的功能是室內(nèi)移動服務(wù)機器人的一般特點。此外，室內(nèi)服務(wù)機器人還具備著按區(qū)域運行作業(yè)和可移動性的功能。室內(nèi)服務(wù)機器普遍具備一定的步行功能來執(zhí)行各種各樣的特定任務(wù)。這類功能在主要是在車輪或推進裝置等的行駛機構(gòu)中實現(xiàn)，一般有多個控制輪存在機器人設(shè)置中來實現(xiàn)這類機器人的自主運動。并且具備自給電源；第二點是適應(yīng)性，執(zhí)行作業(yè)的機器人在障礙物間穿梭，在能回避這些障礙物的情況下進行工作，也有具有學(xué)習(xí)、感覺、判斷功能的服務(wù)機器人，這是因為它們廣泛采用了高性能視覺、聽覺、觸覺等多種傳感器，具有一定的感知能力和自主能力；第三，室內(nèi)服務(wù)機器人具有輕便性，移動機器人的功能比較完善、機構(gòu)多，這是盡可能需要的移動機器人的變速器和裝置，提高機動性減小其自重和容積，降低能耗?？刂蒲b置也在輕量化的同時，盡量減少中間傳動機構(gòu)，提高了機械傳動效率；第四就是這類機器人非常便于人們操作，室內(nèi)移動服務(wù)機器人與人的關(guān)系非常密切，在機器與人的交互過程中也需要經(jīng)過不斷地磨合和調(diào)整。基于這些條件，機器人設(shè)計者需要使機器人用戶與機器人之間的相互協(xié)作迅速、方便。

（三）室內(nèi)移動機器人的研究背景

移動機器人的不斷發(fā)展過程中，科學(xué)家們首先以室內(nèi)環(huán)境為背景開始探索研究移動機器人。在這種情況下，應(yīng)用的背景和具體的任務(wù)并沒有得到針對性的研究，主要開展的是包括機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、信息融合、路線計劃在內(nèi)的技術(shù)的關(guān)于屋內(nèi)的結(jié)構(gòu)化環(huán)境的基本的初步研究。在外國知名院校和研究機構(gòu)的早期研究中，許多重要的結(jié)論被科學(xué)家們總結(jié)出來了.除此之外，通過將多傳感器的信息與機器人相融合的運用，許許多多寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)得到了積累。基于前期研究技術(shù)的基礎(chǔ)，室內(nèi)自主移動機器人的研究開始了。

（四）室內(nèi)移動機器人的作業(yè)環(huán)境

辦公室、家庭辦公室、超級市場，這些結(jié)構(gòu)化的環(huán)境是室內(nèi)移動機器人的最常見的作業(yè)環(huán)境，這些地方有著許多的共同特征：垂直的墻壁、平的地板、規(guī)范的走廊、大廳。室內(nèi)移動機器人與人類在此類環(huán)境中能達成良好的交互。機器人必須設(shè)法使自己做各種各樣的事情，在另一方面，通過假定環(huán)境相關(guān)的制約，機器人設(shè)計者可以在這樣的環(huán)境中取得現(xiàn)在的環(huán)境識別技術(shù)的缺點的平衡。

二、室內(nèi)服務(wù)機器人及其導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計需要

自主設(shè)計巡視路線室內(nèi)服務(wù)機器人需要在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下實現(xiàn)自主巡視的重要前提，服務(wù)路線的計劃需要利用機器人運動環(huán)境的地圖。根據(jù)室內(nèi)服務(wù)機器人的檢查運動要求，設(shè)計室內(nèi)服務(wù)機器人的導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)能夠通過各種傳感器檢測、探索作業(yè)環(huán)境，進而實現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境的考慮的地圖構(gòu)筑和機器人本體的定位。采用智能算法并使用構(gòu)筑的地圖來進行機器人的行駛規(guī)劃。確保機器人系統(tǒng)能計劃路徑并查找最短的服務(wù)通道。我們第一步將分析室內(nèi)服務(wù)機器人的導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的要求進行設(shè)計，完成對機器人的控制系統(tǒng)、感測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及決策系統(tǒng)的設(shè)計。確定整體設(shè)計要求和方案，確定室內(nèi)服務(wù)機器人主體的硬件和軟件的框架系統(tǒng)。

室內(nèi)服務(wù)機器人可能要在復(fù)雜危險的作業(yè)環(huán)境下進行任務(wù)。這就要求要有非常高的性能、電池續(xù)航時間等，同時需要更高的自主性和智慧。室內(nèi)服務(wù)機器人研究重點主要包括以下問題：在將人的干預(yù)降到最低的情況下可以控制自主導(dǎo)航進而自主完成工作的能力，而且，室內(nèi)服務(wù)機器人必須在某些特殊危險的工作環(huán)境下嚴(yán)格符合防爆要求，綜上所述，室內(nèi)服務(wù)機器人研究的重點可以細分為以下這幾個問題：

首先是可持續(xù)的性能，室內(nèi)服務(wù)機器人可根據(jù)檢查任務(wù)，時間間斷。通過連續(xù)作業(yè)，提高了電池續(xù)航時間，在提高電池續(xù)航時間的同時，充分利用了可能的機器人本體的空間，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，減輕了機器人本體的重量，其待機時間得到了提高；其次是機動性、室內(nèi)服務(wù)機器人的工作環(huán)境復(fù)雜、未知、具備良好的機動性是室內(nèi)服務(wù)機器人適應(yīng)各式各樣的環(huán)境的重要前提，滿足非結(jié)構(gòu)化地形環(huán)境的使用條件，可通過傾斜路段、臺階、溝等復(fù)雜地形進行服務(wù)。第三是環(huán)境認識能力、室內(nèi)服務(wù)機器人的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、未知，這是必須具備的最后室內(nèi)服務(wù)機器人，在工作中處于危險的工作環(huán)境下，例如化工廠、核電站、石油精煉所等。為避免室內(nèi)服務(wù)機器人變成運行的潛在爆發(fā)源，造成不必要的財產(chǎn)經(jīng)濟損失，這類機器人還需要具備良好的防爆性。

三、小結(jié)

機器人的導(dǎo)航是一項在機器人領(lǐng)域的基本研究，很多種類的機器人能夠完成其他復(fù)雜的任務(wù)作為在某一環(huán)境中自主移動的前提是這項研究的重要意義所在?？茖W(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的這些年來，隨著機器人技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，整個社會不斷增加室內(nèi)服務(wù)機器人的需求量，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也投入大量資源，對機器人的導(dǎo)航技術(shù)進行了深入的研究和應(yīng)用探索。隨著室內(nèi)機器人的導(dǎo)航技術(shù)逐漸成熟，隨著室內(nèi)移動機器人的快速發(fā)展，單一導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化的需求。通過提高機器人的導(dǎo)航技術(shù)，實現(xiàn)機器人技術(shù)水平的提高，擴大應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成為機器人發(fā)展的新趨勢，我們可以相信在未來的社會生活中，移動機器人必然會取得更好的發(fā)展。

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（作者單位：北京信息科技大學(xué) 機電工程學(xué)院）