掃地機器人自主導航專利技術綜述

高惠敏

【摘 ?要】本文主要針對掃地機器人自主導航技術的發(fā)展，統(tǒng)計掃地機器人在全球范圍內(nèi)的專利申請，對其進行分析，并基于專利分析結(jié)果總結(jié)了技術分支以及國內(nèi)外重要申請人的技術路線，剖析掃地機器人自主導航的技術現(xiàn)狀。

【關鍵詞】掃地;機器人;自主導航;路徑規(guī)劃;室內(nèi)定位;環(huán)境感知;專利

一、前言

掃地機器人因其簡單的操作以及便利性，逐漸成為智能家居的一部分。掃地機器人通過自主導航技術實現(xiàn)路徑規(guī)劃以及避障，確保機器人能夠以較高覆蓋率以及低重復率完成清掃任務，這項技術需要傳感器、定位系統(tǒng)以及路徑規(guī)劃等多學科支持，是掃地機器人的技術核心。

二、掃地機器人技術概述

九十年代末至二十一世紀初，歐美日韓的家用電器制造商不約而同將研發(fā)火力投入智能掃地機器人市場。2001年家電巨頭ELECTROLUX推出三葉蟲智能掃地機器人，依靠單片機控制底部車輪自主行動，機體裝置的反射式超聲波傳感器為機器人提供避障能力。掃地機器人具有無監(jiān)督自主工作的特性，其原本只是能夠進行簡單的清掃等工作的單純機械設備，現(xiàn)在通過增加自動充電、路徑規(guī)劃、智能識別、智能交互等功能，成為智慧家庭中重要組成部分。掃地機器人是由傳感檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、移動和吸塵系統(tǒng)組成，其關鍵技術包括傳感器技術、室內(nèi)定位技術、路徑規(guī)劃技術和自動回充技術等。

三、掃地機器人的自主導航技術分支

本文對掃地機器人自主導航技術的相關專利申請進行分析，基于CNABS、CNTXT中文數(shù)據(jù)庫以及DWPI數(shù)據(jù)庫，通過去噪、人工篩選、標引得到最終所要分析的專利數(shù)據(jù)樣本，通過瀏覽上述專利申請以及參考相關文獻，對所涉及的技術分支進行分解，如圖1所示。

四、專利現(xiàn)狀分析

經(jīng)過檢索式檢索與簡單人工篩選，最終篩選出專利申請1633件。如圖2所示，在全球范圍內(nèi)，最早的相關專利出現(xiàn)在1973年，但從1973-1993年的申請量較小，每年均在10件以下，處于技術探索時期。自1993年專利申請量緩慢增長，處于技術積累期，增長比較緩慢，隨著傳感技術、導航定位技術的發(fā)展以及市場需求，2011至今申請量呈現(xiàn)幾何增長狀態(tài)，處于快速增長時期。國內(nèi)掃地機器人自主導航技術雖然起步較晚，但自2011年起專利申請量大幅增長，國內(nèi)申請在整個全球的申請量中所占的比重越來越高。

從全球?qū)＠暾埖膰鴦e分布來看，中國、美國、韓國、日本、歐洲國家是專利申請的主要原創(chuàng)國，上述國家和地區(qū)的申請量占到了全球申請總量的98%，也正是創(chuàng)新能力突出的國家和地區(qū)。中國和韓國分別占全球申請總量的50%和27%左右。中國作為人口最多，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮牡貐^(qū)，一直都是各個申請人主要的目標市場地區(qū)。韓國的三星、LG，美國的IROBOT，日本的日立、夏普、松下、富士通，德國的VORWERK，瑞典的ELECTROLUX以及英國的DYSON，各國企業(yè)競相發(fā)展，同時，中國國內(nèi)以科沃斯、美的為代表的企業(yè)等后起之秀，所占比重越來越高，中國在掃地機器人領域的發(fā)展已躋身世界先進水平。

五、技術發(fā)展脈絡與重點專利分析

本文分別從傳感器技術、室內(nèi)定位、路徑規(guī)劃這三個分支對技術發(fā)展的脈絡作相應梳理，同時對各分支的重點專利進行分析。

1、傳感器技術

三星公司在1993年提出一件公開號為US1993073398A的專利申請，該申請是較早的將通過超聲波傳感技術與定位導航結(jié)合的傳感器技術相關專利。機器人通過超聲波傳感器檢測與障礙物之間的距離，通過光學旋轉(zhuǎn)編碼器確定障礙物方向，機器人沿著房間外圍移動，然后根據(jù)選定的程序覆蓋到剩余的區(qū)域。1999年西門子公司提出了公開號為US6591216 B1的專利，該專利提出使用紅外線傳感器感知障礙物，以此來建立物體周圍環(huán)境的熱影像。2001年家電巨頭ELECTROLUX推出三葉蟲智能掃地機器人，依靠單片機控制底部車輪自主行動，機體裝置的反射式超聲波傳感器為機器人提供避障能力，但在靠近尖角障礙物時，由于超聲波反射的能力較少，難以檢測，容易發(fā)生碰撞。而紅外線傳感器也存在探測視角小、很難探測到前方狹小障礙物、透明物體或深色物體等缺點，為了更好的描述環(huán)境，多傳感器融合技術開始發(fā)展。三星公司在2012年提出一件公開號為EP2590042B1 B1的專利，其位置識別技術的研究主要表現(xiàn)在傳感器融合，通過多傳感器融合實現(xiàn)位置識別，提高位置估計的精度，進而通過濾波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)定位。

2、室內(nèi)定位技術

科沃斯公司2002年在專利（CN2498979Y）中使用航跡推算法進行定位，但無法實現(xiàn)實時性精確定位。為了解決該問題，絕對定位技術開始急速發(fā)展。美國IROBOT公司提出（US8954192 B2）的專利申請，其使用信標定位法進行室內(nèi)定位，在機器人上安裝傳感器對信標進行觀測。隨著市場對定位的精確要求越來越高，基于視覺的機器人定位近年來成為研究熱點，中國各公司也開始重視該方面的研究與專利布局。基于視覺的定位主要包括單目視覺、雙目視覺。目前，基于視覺定位的掃地機器人也已有產(chǎn)品推出，Irobot和Dyson分別推出了高端系列RoomBa980和360Eye。

3、路徑規(guī)劃技術

作為智能掃地機器人核心功能技術，規(guī)劃一條滿足任務要求的安全、有效、可行的路徑，成為各項相關專利的核心討論問題。早期掃地機器人多采用隨機路徑行進，如果不能建立環(huán)境地圖，就只能采用隨機路徑。三星公司于1993年提出的，公開號為GB2278937B的專利中提及一種導航控制系統(tǒng)，采用沿邊迂回的方法行進，常用的方法還有內(nèi)外螺旋法等。雖然機器人路徑規(guī)劃已得到多領域長時間的關注，但至今智能掃地機器人仍沒有最佳的路徑規(guī)劃方案，由于環(huán)境的不確定性，要求機器人在規(guī)劃繞過障礙的前提下，還有自主避障的能力。近年來，如何實現(xiàn)全覆蓋路線規(guī)劃且提高效率與性價比，已成為研究熱點。全覆蓋路徑規(guī)劃方法多種多樣，各有優(yōu)劣，主要包括模板匹配法、單元分解法、人工勢場法和生物激勵法等。國內(nèi)的掃地機器人技術起步較晚，科沃斯公司的相關專利也大多使用隨機遍歷法進行清掃。

六、結(jié)束語

本文梳理了掃地機器人自主導航技術分支的發(fā)展情況，并對自主導航的核心專利和重要申請人進行分析，有助于審查員全面了解相關功能的基本發(fā)展態(tài)勢，對涉及掃地機器人領域的審查工作有一定幫助。

參考文獻：

[1]柴劍，智能掃地機器人技術的研究與實現(xiàn)，西安電子科技大學，2013;

[2]朱冬梅，技術快速迭代掃地機器人行業(yè)洗牌在即，現(xiàn)代家電，2016

[3]薛瑞范，面向掃地機器人的室內(nèi)定位研究，哈爾濱工業(yè)大學，2015

（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心）