基于视觉和 SLAM 技术的家用多功能捡拾机器人设计论文

无人驾驶技术涉及人工智能、计算机视觉和机器学习 #生活知识# #生活感悟# #科技生活变迁# #无人驾驶技术#

　　摘要：随着人工智能和物联网技术的发展，家庭智能清洁机器人逐渐成为家庭助手的重要组成部分。首先阐述了捡拾机器人的应用背景和研究意义，详细介绍了机器人的系统架构和关键技术。在系统架构方面，采用树莓派作为主控制器，利用计算机视觉技术进行物体识别，并结合SLAM技术实现自主导航。在关键技术方面，采用计算机视觉识别和分类家庭物品，SLAM技术则支持机器人在未知环境中的实时定位和路径规划。对捡拾机器人的机械结构进行了优化设计，使其能够适应不同形状和大小的物体，并通过“扫入”方式提升捡拾效率。此外，还采用了视觉传感器和导航技术，实现了实时地图构建和更新。本研究为基于机器人实践竞赛的项目式教学，展示了一种创新的机器人设计思路，为家庭机器人领域提供了新的设计方向，并拓展了机器人的应用范围。通过实验验证，捡拾机器人能够在多种家庭环境中稳定工作，展现出较高的准确性和可靠性，相较于传统清洁工具，具有显著的创新性和实用性。

关键词：家用机器人,多功能捡拾,计算机视觉,项目式教学

　　0引言

　　随着科技的不断进步，人工智能与物联网技术日益成为家庭自动化与智能化领域的核心驱动力[1]。在这一背景下，家庭服务机器人作为重要的智能设备，其对于复杂家庭工作环境的适应性成为了研究的焦点。特别是定位和建图技术，作为移动位置感知设备自主管理的基石[2-4]，其重要性不言而喻。然而，现有的家庭智能清洁机器人在物体识别、分类和捡拾方面仍存在局限性，同时其自主导航能力在复杂环境中也需进一步提升。因此，本研究旨在通过结合计算机视觉和SLAM技术，设计并实现一款新型的家用多功能捡拾机器人，以解决上述问题。

　　目前，关于家庭服务机器人的研究已经取得了一定的进展[5-6]，特别是在定位和导航技术方面[7-8]。其中，SLAM技术作为实现机器人自主定位与导航的关键技术，主要分为激光SLAM[9]和视觉SLAM[10]两种方案。激光SLAM以其高精度在特定场景中表现出色，而视觉SLAM则因成本优势和广泛的适用性受到关注。然而，现有的研究仍未能完美解决家庭服务机器人在复杂环境下的稳定性问题。

　　此外，随着人力资源成本的上升和计算机硬件成本的下降，机器人已经广泛应用于工业生产、医疗等领域，并逐渐渗透到家庭服务中[11-12]。这一趋势不仅展示了机器人的广阔应用前景，也对机器人的性能提出了更高要求[13-15]。特别是在家庭服务领域，一款能够识别、分类和捡拾各种物品的机器人将极大地提高生活质量和服务水平。

　　在此背景下，本研究结合计算机视觉和SLAM技术，旨在设计一款具有物体识别、分类和捡拾功能的家用机器人。通过计算机视觉技术实现对地面物品的精准识别和分类，同时利用SLAM技术实现机器人在未知环境中的实时定位和路径规划。这一创新设计不仅有助于推动家庭清洁机器人的技术进步，实现清洁工作的自动化和智能化，还将促进人工智能、机械工程、控制理论等多个学科的交叉融合。

　　本研究预期将实现一款能够在全区域范围内进行物体捡拾的家用多功能捡拾机器人，显著提高清洁效率和质量，同时降低成本，增强产品的市场竞争力。通过实验验证，期望该机器人在多种家庭环境中展现出高准确性和可靠性，为家庭机器人领域提供一种新的设计思路，并拓展机器人的应用范围，使科技更好地服务于人们的日常生活。

　　1设计原理

　　通过学习已有技术，改良机械结构，创新控制方法，并不断调试优化，实现一个自动化和智能化的家用多功能捡拾机器人。

　　学习并创新已有捡拾机器人的机械结构与控制方法，并且基于多功能捡拾的需求，创新捡拾的“扫入”方式，与已有的计算机技术相结合。主要从机械结构设计、控制方法设计、产品调试运行3个方面开展研究。

　　（1）机械结构方面，前期进行已有捡拾机器人的机械结构调研，分析各机械结构的适用场合及局限性，根据产品需要对设计方案进行改良。设计具有可调节张力的捡拾装置，适应不同重量和形状的物体。采用紧凑型设计，使机器人能够在各种家庭环境中轻松移动和操作。设计灵活的捡拾装置，可根据不同物体的大小和形状进行调整。项目采用“扫入”方式，提升对待清理物体形状体积的包容度。

　　（2）控制方法方面，采用树莓派为主控，利用计算机视觉图像识别技术实现对物体方向和位置的检测；通过无监督学习方法对物体进行多物体识别、分类及记忆功能。达到视野内多种地面物品同时存在的场景下的多功能捡拾目标；采用视觉SLAM（同时定位与地图构建）技术；利用视觉传感器或组合导航技术，实现实时地图构建与更新；实现捡拾机器人的自我定位和路线规划，实现全区域的物体捡拾。

　　（3）产品调试运行方面，基于团队在机械结构和控制方法方面的调研、设计与实践，实现机械结构与控制方法的交互，如捡拾机器人的快速移动、传感器的信号传输与数据处理、捡拾方位与距离设置等，运用研究的成果完成一件完整产品的创新设计，应用于家庭机器人创新产品开发，补充目前机器人性能的缺失，提供一种便利生活的方式。

　　技术控制路线如图1所示，主要实现的功能为：

　　（1）实现机器人的模型设计、基础行进、捡拾功能，保障识别精准度高；

　　（2）完成无监督深度学习，实现对目标物体的分类识别；

　　（3）实现SLAM的定位算法，使得小车可以自主规划路径。

　　依据上述技术路线开发出一款高性能的家用多功能捡拾机器人，不仅能够提高家庭清洁的效率，还能够为用户提供更加便捷和智能的生活体验。此外，这款机器人的设计原理和技术控制路线的优化也将为家庭服务机器人的未来发展提供新的思路和方向。

　　2机械设计

       2.1结构

　　通过对已有捡拾机器人的机械结构进行调研和分析，根据产品需要对设计方案进行改良。设计具有可调节张力的捡拾装置，适应不同质量和形状的物体。采用紧凑型设计，使机器人能够在各种家庭环境中轻松移动和操作。设计灵活的捡拾装置，可根据不同物体的大小和形状进行调整。项目采用“扫入”方式，提升对待清理物体形状体积的包容度如图2所示。

网址：基于视觉和 SLAM 技术的家用多功能捡拾机器人设计论文 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/1112236

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