智能清潔機器人國內外發展狀況淺析

褥銅，趙晨

（順德出入境檢驗檢疫局技術中心，廣東 佛山 528303）

智能清潔機器人集機械學、電子技術、傳感器技術、計算機技術、控制技術、人工智能等諸多科技為一體，不僅是一種環保、智能型的服務機器人，還具有良好的應用前景和廣泛的市場需求，近年來智能清潔機器人的發展和應用受到國內外的廣泛重視，其技術越來越成熟，應用也越來越廣泛。

1 國內外發展情況

1.1 國內相關研究情況

黑龍江八一農墾大學堯李慧、田雷與黑龍江省農業機械工程科學研究院蔡曉華、侯云濤對牛舍清潔機器人的結構與避障設計進行分析與研究，并結合迂回式路徑規劃算法和靠墻或牛欄等障礙物的避障策略，實現清潔機器人對牛舍的全方位清掃工作。

中國計量大學的鄭哲恩、孫堅、沈斌，利用工業相機拍攝粉塵，經過MALTAB處理之后對粉塵面積進行計算，并利用清潔機器人進行清潔，根據清潔效率計算得出清潔機器人的清潔性能。

解放軍理工大學國防工程學院茅靳豐、朱國棟、張虎、宋威，根據風管機器人視覺檢測系統的組成，包括照明系統、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管內部圖像進行預處理，并依據特定的算法對其清潔度進行評估。

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

東北林業大學的王振秋、薛建琪、張宇崴、狄海廷針對變直徑桿件，設計一種爬桿清潔機器人。模擬人的上肢和下肢，輪流夾緊桿體，在曲柄連桿機構的驅動下，實現機器人的攀爬運動，在機器人攀爬過程中實現自動清潔。

廣東技術師范學院天河學院的陳朝大和廣州航海學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器人進行研究。機器人采用超聲波傳感器配合伺服電機構成自動避障系統，對室內未知環境進行探測，提出了多路徑融合規劃控制算法，使機器人能夠完成自主全區域覆蓋行走。

由此可見，國內智能清潔機器人研究主要集中在對障礙物的躲避以及特殊區域的清潔方面，研究應用范圍主要包括高空清潔、管道清潔、牛舍清潔等，對更為復雜環境的清潔能力檢測方面研究較少，利用靜態圖像進行分析和評估以及終端特殊機械機構的設計是目前主要的技術研究方向。

1.2 國外相關研究情況

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

韓國的Jin-Ho Suh等人發明了一種更為高效的水下清洗機器人研制平臺，平臺可用于研制和設計可滿足應用在工業清潔工作領域中的水下清洗機器人性能，所開發水下清潔機器人的方法，可用于實現清洗不同類型的工業水箱的功能。

英國的Jo?ao Mouraa B等人提出了一種駕駛室前清掃機器人的控制和路徑規劃方法。所提出的解決方案包括研究機器人之間的相互作用機械手聯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路徑表面幾何的細微差別。

英國的Tetsuo Tomiyama等人介紹了列車駕駛室前部清掃機器人的系統和概念設計方法。對現行程序進行分析，發現過程中可能出現的空白，并產生一個滿足這些要求的清潔系統概念設計的要求清單。提出的解決方案包括系統在不同子系統中的劃分，每個子系統的不同解決方案將被考慮、分析和選擇。并研究機器人末端執行器的主要結構，設計出符合系統要求的終端。

英國的Konstantinova博士的清潔機器人指尖技術在瑪麗女王的先進機器人中心展示。其通過使用車載攝像機和激光來創建地圖，掃描靜態物體，而忽略了諸如人或寵物之類的“動態”物體，從而學習新的環境。信息存儲在機器人的硬盤驅動器中，可以被編程來拾取特定的東西。

斯里蘭卡開放大學機械工程學院的H.G.T.Milinda等人研究了地板清潔泥和臟污分離法的機器人。提出了一種檢測方法，使用攝像機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。并隨著進一步的后處理，可以在圖像中對多種污垢進行定位。

Sumroengrit Jakkrit等人提出了基于amethodoflaser的漂浮垃圾表面檢測機器人，對事先未知位置的廢物進行尋找。該方法基于激光折射和反射的概念，提出了基于激光技術的漂浮物檢測方法。工業廢物檢測器被構造并安裝在機器人上，通過計算激光測距的廢物位置，建立五自由度運動方程，以及由外部風力和水面張力影響的機器人運動。在平靜的池塘上進行試驗的結果表明，所提出的經濟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米范圍內的位置。

斯坦福大學工程師MarkCutkosky在美國國家航空和航天局和噴氣推進實驗室已經開發出一種機器人夾持器，受到壁虎腳使壁虎能在墻爬行的原理啟發，實現在缺乏大氣壓的環境下使用粘合的方式。研發小組開發了一個小的夾具應用到國際空間站，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，同時在機器人清洗系統中進行處理。機器人系統利用其當前的部件變形行為模型來規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行建模，提出了一種修正模型剛度參數的通用更新算法，以適應在清洗過程中觀測到的變形數據。這使得系統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果：更平滑，同時減少了兩倍的參數估計誤差，并且實現更快的收斂。

由此可見，國外研究智能清潔機器人的應用范圍十分廣泛，除了高層建筑清潔機器人等常規機器人外，還研究比如水下、水面、不規則平面、彈性物體、太空等更為復雜環境的清潔，對機器視覺的識別、聯合協作、智能化、終端機械結構等都有更為深入和前沿的研究。

2 結語

隨著國內智能清潔機器人市場的發展，相比國外成熟的市場，國內市場前景更廣闊，而且在關鍵技術上，國內企業也在快速趕上。通過分析智能清潔機器人發展，為相關企業做技術研發方向提供服務，對于提高我國智能清潔機器人生產企業的技術水平，以及提升我國在國際智能清潔機器人市場的競爭力有著積極的意義。

[1]茅靳豐，朱國棟，張虎，宋威.風管清掃機器人智能清潔度評估系統的研究[J]. 建筑熱能通風空調，2015,(1):37-41.

[2]陸曉敏，吳浩真，韓可炯，秦家晨.高空清潔機器人的設計與實現[J].電子測試,2017,(8):17-18.

[3]陳朝大,呂志勝.基于智能尋跡的清潔機器人控制系統[J].機床與液壓,2015,(11):91-94.

[4]堯李慧、田雷、蔡曉華、侯云濤.牛舍清潔機器人結構設計與避障設計[J].農機化研究,2018,(2):70-79.

[5]蘇進，陳曉.清潔機器人控制方法的專利技術綜述[J].科學家,2017,(10):4,11.

[6]鄭哲恩，孫堅，沈斌.清潔機器人清潔性能檢測方法的研究[J].科學與探討,2016,(5):367.

[7]王振秋，薛建琪，張宇崴，狄海廷.新型爬桿清潔機器人的設計與仿真[J].科技創新與應用,2017,(19):15-16.

[8]H.G.T.Milinda,B. G. D. A. Madhusanka. Mud and Dirt Separation Method for Floor Cleaning Robot [J].3rd International Multidisciplinary Engineering,2017,316-320.

[9]Sumroengrit Jakkrit;Ruangpayoongsak Niramon. Economic Floating Waste Detectionfor Surface Cleaning Robots[J]. MATEC Web of Conferences,2017,(95):8001.

[10]Mark Cutkosky. ROBOTIC GRIPPER COULD CLEAN UP SPACE DEBRIS[J]. Mechanical Engineering,2017,(10):24.

[11]Joshua D. Langsfeld;Ariyan M. Kabir;Krishnanand N.Kaipa;Satyandra K. Gupta. Integration of Planning and Deformation Model Estimation for Robotic Cleaning of Elastically-Deformable Objects[J]. IEEE Robotics and Automation Letters,2017,1.