家用清潔機器人的技術發展趨勢與現狀

牛立群，孫曉普

家用清潔機器人的技術發展趨勢與現狀

牛立群，孫曉普

（山西嘉世達機器人技術有限公司，山西 太原 030006）

隨著生活節奏的加快，家用機器人在生活中應用的比例增加。在家用機器人中，清潔機器人需求最為廣泛。介紹了家用清潔機器人的發展現狀，并分析了其未來的發展趨勢，可以為加快清潔機器人的研發提供一定的指導。

家用機器人；清潔機器人；發展現狀；發展趨勢

1 引言

隨著生活節奏的加快，人們能用于做家務的時間越來越少。為此，很多家庭開始考慮或已經購買了家用機器人。通過家用機器人可以輕松處理繁重的家務，既省時又省力。在所有家務中，清潔工作是人們生活中不可以避免的，而這可以通過家用清潔機器人來完成。由此可見，清潔機器人具有廣大的消費市場[1-3]。在中國“十一五”期間，將家用服務機器人作為機器人研究的一個重要的方向。認識家用清潔機器人的現狀，有助于更好地研發方便人們生活的機器人。本文將圍繞著中國家用清潔機器人的現狀和未來的發展趨勢展開研究。

2 家用清潔機器人的發展現狀

日本的清潔機器人的研制處于世界領先水平。世界上第一個清潔機器人由日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa公司聯合研制成功，其可以在靠近墻壁的任何一個位置啟動，并通過內置的刷子將廢棄物掃入內部自帶的容器中。這個機器人的控制采用“墻面復制方式”或“磁引導方式”。日本的靜甲株式會社的工廠也開發了一種清潔機器人，采用了光線陀螺來控制機器人的方向，采用超聲波來感知機器人與墻面的距離，采用光線探測器來避開障礙物。這種機器人使用起來非常安全，其內部裝有觸覺傳感器，若人與機器接觸就會使機器停下來。松下和日立公司針對木質地板和地毯研發了一種機器人，其主要特點是帶有蓄電池作為動力源并能實現自動充電。

清潔機器人由工業用走向家用經歷了一段時間，具有代表性的就是2002年松下公司開發的一種家庭清潔機器人試用機。該機器具有一定的智能性能，可以根據房間的形狀、地板材質以及地板上的垃圾量選擇有效的清掃模式。更為重要的是使用起來非常安全，能避開墻壁、爐子熱源等。通過內部安裝的50個傳感器，在首次使用時，在房間運行一周就可以記錄房間的形狀，實現移動式清潔。在清掃完成后，該機器人會自動停止工作。值得注意的是，機器人的清潔效率非常高，打掃一間房子只需要10 min左右。

歐美發達國家也對家用清潔機器人進行了大量的研究和推廣。2002年美國市面上出現了一種名為“Roomba”的機器人，其直徑約為6英寸（1英寸=2.54 cm），可以輕松地對家具縫隙間的垃圾進行清掃。雖然其能安全地完成家庭清潔任務，但是工作起來移動非常緩慢，需要耗費較多的時間。瑞典的拉克斯電子公司與日本東芝公司共同研制了一款名叫“特里洛巴伊特”的家庭清潔機器人，其主要特點是可以避開室內擺放的家具進行清掃。在工作時需要用戶領著它在家里清掃一次，然后它就可以按照上次的行走路徑進行清掃。其主要缺點是工作的路線是固定的，對地面的清潔效率不高。

中國的機器人研究起步相較于歐美發達國家比較晚，這導致家用機器人在人們生活中的使用率不高。在近些年，隨著中國加大對機器人研發的投入增加，一些家用機器人的種類也逐漸增多。人們開始認識到機器給生活帶來的便利。

3 家用清潔機器人的關鍵技術

3.1 路徑規劃和定位技術

在家用清潔機器人工作時，其工作的路徑和空間位置是十分重要的。工作路徑是指機器人根據周圍環境信息，規劃出的一條無障礙的路徑。機器人能按照這個路徑實現自動清潔工作。在路徑規劃時一定要考慮到動態路徑和靜態路徑。動態路徑是指在清掃過程中原定的路徑會出現某些障礙物，例如人和寵物等，此時需要重新規范清潔路徑。而靜態路徑是指清掃路徑與預定的路徑是相同的。一般情況下，在路徑發生改變時，需要考慮預定區域是否需要重新清掃[4]。

機器人路徑的設定是通過機器人的相對位置變化來完成的，保證空間位置的準確性十分重要。雖然可以采用一些衛星系統來進行定位，但是其精度并不高，這會導致對房間的清掃不徹底。因此，一般采用一些空間參考點配合衛星定位來保證機器人工作路徑的可靠性。

3.2 機器感知技術

所謂的機器感知技術，指的是機器人能實時地檢測自身狀態信息和收集外界環境信息，主要包括自身運動狀態控制、識別障礙物、垃圾清掃、清潔效果自檢以及路徑重新規劃等。大多數情況下，機器感知技術是通過傳感器技術來實現的，有內用傳感器、傾角傳感器和外用傳感器。其中機器視覺是最有利的感知能力，它能提供周圍非常豐富的信息，但是需要的技術條件也比較高。在進行機器感知時，需要多個傳感器的信號綜合處理才能確定機器人的工作狀態。總的來說，使用的傳感器水平能在很大程度上決定著機器人的清掃能力。

4 家用清潔機器人的發展趨勢

現在市場上銷售的家用清潔機器人多是一種自動化的產品，智能化的水平并不高，主要體現在清掃時不能更科學地規劃路徑和根據地板上的垃圾量選擇合適的清掃方式。為此，需要發展具有更高智能的家用清潔機器人。這在未來是可能的，一方面是由于相關的技術條件已經達到了，例如人工智能時代已經到來，另一方面是由于傳感器的制造技術也變得更加的成熟[5]。此外，由于技術競爭的優勢，使得機器人的制造成本大幅度降低，這使得機器人的消費比例也會大幅度提升。

在過去的家用清潔機器人中，很少采用機器視覺技術，即圖像識別和處理技術。一方面是由于過去一些處理器對于圖像的識別速度比較慢，而另一方面是由于圖像識別采用的攝像頭設備成本過高。而現在隨著移動設備的中央處理器能力大幅度增強，例如手機等，這使得在家用機器人中采用機器視覺技術已經成為了可能。采用機器視覺技術比采用其他的傳感器獲取的數據更加直觀，使得在處理中誤識別能大 幅度降低。與此同時，在進行清潔時更容易實現智能化處 理，可以輕松識別地板的材質以及垃圾，從而做出更加有效的地板清潔方案。通過對地板上某些垃圾較多處的直接處理，而不是對整個區域進行清潔，大幅度提升了清潔的效率和質量。

家用清潔機器人的功能將更加多元化，能模仿人的行為，如圖1所示。在未來機器人不僅僅具有清潔功能，還具有其他的功能，例如做法、洗衣、整理衣物等。機器人能具有一些簡單的思維，幫助人們完成一些繁重的體力勞動。

圖1 智能化家用清潔機器人

5 小結

隨著科技的發展，機器人已經正在逐步進入人們的生活中，給人們生活帶來了巨大的便利。家用清潔機器人是人們日常生產中普遍使用的一種機器人。認識家用清潔機器人的現狀，有助于更好地研發便于人們生活的機器人。中國的機器人研究起步相較于歐美發達國家比較晚，隨著中國加大對機器人研發的投入，一些家用機器人的種類也逐漸增多。需要發展具有更高智能的家用清潔機器人。這在未來是可能的，一方面是由于相關的技術條件已經達到了，例如人工智能時代已經到來，另一方面是由于傳感器的制造技術也變得更加的成熟。此外，由于技術競爭的優勢，使得機器人的制造成本大幅度降低，這使得機器人的消費比例也會大幅度提升。

［1］亓新，孫威威，董興江，等.家用清潔機器人性能要求標準解讀［J］.中國標準化，2019（21）：144-148.

［2］李麗蘭，葉雙清.清潔機器人路徑規劃專利技術綜述［J］.科技經濟導刊，2019，27（23）：21.

［3］褥銅，趙晨.智能清潔機器人國內外發展狀況淺析［J］.中國設備工程，2018（4）：146-147.

［4］王錦秋.基于HOLTEK MCU的智能居家清潔機器人［J］.黑龍江科技信息，2016（7）：32-33.

［5］陸嬋嬋，密雅榮.智能家庭清潔機器人專利技術綜述［J］.中國新通信，2015，17（10）：35.

TP242.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.030

2095－6835（2020）12－0074－02

牛立群（1985—），男，河北秦皇島人。

〔編輯：王霞〕