掃地機(jī)器人的自動(dòng)回充技術(shù)專利綜述

周 香 許慶婷

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，服務(wù)型機(jī)器人逐漸進(jìn)入人們的生活，其中最典型的就是掃地機(jī)器人。掃地機(jī)器人技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科，隨著掃地機(jī)器人的普及，相關(guān)學(xué)科也成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前市面上掃地機(jī)器人的品牌眾多，為應(yīng)對(duì)競爭激烈的市場環(huán)境，相關(guān)企業(yè)、科研團(tuán)隊(duì)需要不斷完善掃地機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)。掃地機(jī)器人主要包括吸塵部分和智能化部分［1］，在前期發(fā)展階段，主要是改進(jìn)吸塵部分的效能［2］，吸塵部分在原理上與傳統(tǒng)的吸塵器類似，主要是在結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步考慮尺寸、靈活度、集成度等。而現(xiàn)階段，在保證較優(yōu)良的吸塵效果的基礎(chǔ)上，掃地機(jī)器人的研發(fā)方向集中在智能化部分，主要包括定位追蹤技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、傳感器技術(shù)和自動(dòng)回充技術(shù)等［3］。目前，市場上的掃地機(jī)器人基本能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，即在沒有人為干預(yù)的情況下，能夠自主完成空間內(nèi)的清潔任務(wù)。

1 自動(dòng)回充技術(shù)

掃地機(jī)器人需要電池作為電源驅(qū)動(dòng)，一般來說使用可充電電池。掃地機(jī)器人在工作一段時(shí)間后，需要對(duì)電池充電才能繼續(xù)工作。如果不能自主完成充電，那么在充電完成后需要人工干預(yù)才能繼續(xù)進(jìn)行之前未完成的清潔工作，這樣掃地機(jī)器人還是無法實(shí)現(xiàn)長期獨(dú)立自主工作。若要實(shí)現(xiàn)完全意義上的獨(dú)立自主，掃地機(jī)器人就必須具備在特定環(huán)境中自主充電的能力，即具備自動(dòng)回充技術(shù)，掃地機(jī)器人自主感知外部充電座的位置，以便在電池需要充電的時(shí)候自動(dòng)返回到外部充電座。

2001年，瑞典商業(yè)電器生產(chǎn)商伊萊克斯推出了三葉蟲智能掃地機(jī)器人（如圖1 所示），它是世界上第一款量產(chǎn)的智能掃地機(jī)器人，當(dāng)其完成清掃任務(wù)或內(nèi)置電池電量低時(shí)，會(huì)自動(dòng)返回電源處充電［4］。2003 年，三星公司推出了VC-RP30W（如圖2 所示），這是一款自動(dòng)化程度很高的掃地機(jī)器人，它可以通過3D 地圖技術(shù)進(jìn)行定位，一旦發(fā)現(xiàn)自身電量不足，可以根據(jù)自身內(nèi)置程序準(zhǔn)確快速地回到充電座位置進(jìn)行充電。

圖1 三葉蟲掃地智能機(jī)器人

圖2 三星VC-RP30W

在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)是最早開展智能機(jī)器人研究的單位之一，其研制的智能清掃機(jī)器人采用先進(jìn)的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)，用遙控器確定房間地圖后，可自動(dòng)尋找充電站對(duì)接進(jìn)行自動(dòng)充電。科沃斯掃地機(jī)器人是國內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的掃地機(jī)器人，它的充電座通過發(fā)射紅外信號(hào)來引導(dǎo)機(jī)器人返回充電座。

掃地機(jī)器人的自動(dòng)充電包括自動(dòng)歸位、對(duì)接和充電三個(gè)步驟。歸位是指機(jī)器人能夠回到充電座；對(duì)接是指以合適的姿態(tài)和角度進(jìn)入充電座，以實(shí)現(xiàn)充電觸點(diǎn)的可靠連接；充電的方式分為接觸式和非接觸式［5］。

2 掃地機(jī)器人自動(dòng)回充技術(shù)專利申請(qǐng)狀況分析

2.1 申請(qǐng)人國家分布

掃地機(jī)器人主動(dòng)回充技術(shù)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人國家或地區(qū)分布如圖3所示。由圖3可知，中國、韓國在相關(guān)技術(shù)的申請(qǐng)量最大，其次為日本、美國、德國、歐洲及其他國家或地區(qū)。

圖3 專利申請(qǐng)地申請(qǐng)人國家或地區(qū)分布

2.2 主要申請(qǐng)人

申請(qǐng)量排名前13的專利申請(qǐng)人如圖4所示，分別是LG 電子株式會(huì)社（韓國）、三星公司（韓國）、江蘇美的股份有限公司（中國）、泰怡凱電器有限公司（中國）、夏普公司（日本）、蘇州寶時(shí)得電動(dòng)工具有限公司（中國）、萊克電氣股份有限公司（中國）、艾羅伯特公司（美國）、小米科技有限責(zé)任公司（中國）、松下電器有限公司（日本）、日立公司（日本）、恩斯邁電子有限公司（中國）、科沃斯機(jī)器人科技有限公司（中國）。

圖4 申請(qǐng)量排名前13的申請(qǐng)人

國內(nèi)申請(qǐng)人中，江蘇美的股份有限公司、泰怡凱電器有限公司和蘇州寶時(shí)得電動(dòng)工具有限公司分別占據(jù)第三，第四和第六的位置。國外申請(qǐng)人中，韓國LG公司和三星公司申請(qǐng)量較多，分別排名第一和第二，可以看出韓國在該技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新實(shí)力較強(qiáng)。

3 自動(dòng)回充技術(shù)分析

3.1 自動(dòng)歸位技術(shù)

通過對(duì)專利技術(shù)的梳理可知，掃地機(jī)器人的自主歸位方式主要以紅外、超聲波、照相機(jī)引導(dǎo)、設(shè)置識(shí)別圖案、地圖導(dǎo)航等多種方式結(jié)合為主。隨著自動(dòng)回充技術(shù)的不斷發(fā)展，目前專利申請(qǐng)改進(jìn)點(diǎn)大多在于如何將已有的多種方式結(jié)合，提高自動(dòng)回充的準(zhǔn)確性、可靠性。

3.1.1 基于紅外信號(hào)的自動(dòng)歸位技術(shù)。充電站具有發(fā)射紅外信號(hào)的發(fā)射裝置，掃地機(jī)器人的接收裝置在一定方向上可以接收到該紅外信號(hào)，用以使掃地機(jī)器人回到充電座。該方式定位精度高，可以保證尋找的成功率，且原理簡單，生產(chǎn)成本低。目前市場上大多數(shù)機(jī)型都是采用紅外信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回充的。但該技術(shù)也存在著以下缺點(diǎn)：紅外信號(hào)覆蓋范圍小，測量距離較短；紅外信號(hào)無法穿透障礙物，當(dāng)有障礙物遮擋紅外信號(hào)時(shí)，無法自動(dòng)歸位；紅外信號(hào)抗干擾能力差，易受環(huán)境的影響。

泰怡凱電器（蘇州）有限公司在專利申請(qǐng)CN1650792A中提出一種自動(dòng)吸塵器及其充電座和對(duì)接方法，充電座本體上設(shè)置背向墻根凸出的充電座向前凸起，充電極及紅外發(fā)射裝置位于充電座向前凸起的一側(cè)部，自動(dòng)吸塵器在充電座向前凸起的前面和側(cè)部向前行進(jìn)的同時(shí)旋轉(zhuǎn)一定角度，直至側(cè)面紅外接收探頭接收到紅外發(fā)射裝置發(fā)出的紅外線信號(hào)，自動(dòng)吸塵器才會(huì)停下來，再在原地旋轉(zhuǎn)，至尾部紅外接收探頭探測到紅外發(fā)射裝置發(fā)出的紅外線信號(hào)后，自動(dòng)吸塵器朝著充電座后退，直至最后自動(dòng)吸塵器與充電座對(duì)接成功。

3.1.2 基于超聲波引導(dǎo)的自動(dòng)歸位技術(shù)。充電站具有發(fā)射超聲波的發(fā)射裝置，掃地機(jī)器人的接收裝置接收到該超聲波信號(hào)，引導(dǎo)掃地機(jī)器人自動(dòng)歸位。由于超聲波可繞過障礙物、穿透門窗，掃地機(jī)器人的工作位置和充電座可以不在同一房間。但該方式同樣存在易受干擾的缺點(diǎn)。

LG 電子公司在專利申請(qǐng)KR100575706B 中提出了一種掃地機(jī)器人回充系統(tǒng)和方法，通過使用定向射頻天線和超聲波傳感器檢測到無障礙物的最短距離來快速地將機(jī)器人清潔器返回充電站；充電站用射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生射頻信號(hào)，引導(dǎo)機(jī)器人清潔器返回充電站，機(jī)器人清潔器基于感測到的射頻信號(hào)的強(qiáng)度來檢測到充電站的距離，并將檢測到的距離與由超聲波傳感器檢測到的到充電站的距離進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來檢測到充電站的最短路徑；機(jī)器人清潔器具有射頻定向天線、超聲波傳感器、存儲(chǔ)器和微型計(jì)算機(jī)。

3.1.3 基于設(shè)置識(shí)別圖案的自動(dòng)歸位技術(shù)。基于設(shè)置識(shí)別圖案的自動(dòng)歸位技術(shù)，是在充電座上設(shè)置識(shí)別圖案，掃地機(jī)器人通過傳感器或照相機(jī)獲取圖像，并向充電座前進(jìn)。

泰怡凱電器（蘇州）有限公司在專利申請(qǐng)CN1403050A中提出了一種自動(dòng)吸塵器的充電座及其自動(dòng)吸塵器與充電座的對(duì)接方法，充電座體上設(shè)有奇數(shù)個(gè)條碼安裝平面，各個(gè)條碼安裝平面上設(shè)有豎條碼，自動(dòng)吸塵器通過紅外傳感器對(duì)條碼安裝平面進(jìn)行掃碼并記錄豎條碼數(shù)，根據(jù)掃碼所得的豎條碼數(shù)判斷自動(dòng)吸塵器本體所在的方位，并使自動(dòng)吸塵器本體向著最中央的一個(gè)條碼安裝平面的中心豎條碼的位置移動(dòng)。

3.1.4 基于照相機(jī)的自動(dòng)歸位技術(shù)。基于照相機(jī)的自動(dòng)歸位技術(shù)，是采用照相機(jī)拍攝當(dāng)前圖像，分析掃地機(jī)器人的位置，計(jì)算路徑，以使得掃地機(jī)器人自動(dòng)返回充電器。但該方式使用的照相機(jī)成本較高，且機(jī)器人本體需要配有足夠容量的存儲(chǔ)器，整個(gè)成本隨之提高；再者，進(jìn)行圖像對(duì)比，需要計(jì)算處理，機(jī)器人反應(yīng)判別響應(yīng)較慢，降低了機(jī)器人的工作效率。

三星光州電子株式會(huì)社在專利申請(qǐng)CN124514 0C 中提出了一種機(jī)器人吸塵器系統(tǒng)及其與充電設(shè)備對(duì)接方法，當(dāng)確定收到充電命令信號(hào)時(shí)，機(jī)器人吸塵器用上部照相機(jī)拍攝當(dāng)前的仰視圖像，并計(jì)算機(jī)器人吸塵器的當(dāng)前位置信息。機(jī)器人吸塵器基于當(dāng)前位置信息和存儲(chǔ)的外部充電設(shè)備的位置信息，計(jì)算返回到外部充電設(shè)備的路徑，運(yùn)用該信息，機(jī)器人吸塵器可沿計(jì)算好的路徑行進(jìn)。

3.2 自動(dòng)對(duì)接技術(shù)

機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回充，不僅需要能夠自動(dòng)歸位，還需要與充電座可靠對(duì)接，才能實(shí)現(xiàn)充電功能。掃地機(jī)器人的對(duì)接技術(shù)包括機(jī)械引導(dǎo)、磁鐵吸引等方式。

株式會(huì)社日立制作所在專利申請(qǐng)JP200426723 6A 中提出了一種自動(dòng)行走式清掃機(jī)和其中使用的充電裝置，通過在充電座上設(shè)置導(dǎo)軌，其與掃地機(jī)上的導(dǎo)軌相互嵌合，使得充電端子和充電裝置的充電端子接觸，實(shí)現(xiàn)充電。LG 電子株式會(huì)社在專利申請(qǐng)KR20070112909A 中提出了一種掃地機(jī)的充電裝置，通過磁體實(shí)現(xiàn)對(duì)充電座的固定，從而使得掃地機(jī)能夠穩(wěn)定地與充電裝置電接觸。

3.3 掃地機(jī)器人的充電方式

掃地機(jī)器人的充電方式分為接觸式充電和非接觸式充電。目前，市場上大多數(shù)掃地機(jī)器人采用的是接觸式充電，接觸式充電有以下缺點(diǎn)：由于需要對(duì)接機(jī)構(gòu)，體積較大，占用較大家庭空間；可能會(huì)撞擊充電裝置，使其位置變化，經(jīng)常需要人工將充電裝置擺正；需要裸露的金屬觸點(diǎn)，容易發(fā)生危險(xiǎn)；充電時(shí)必須準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)充電裝置的金屬觸點(diǎn)，有時(shí)會(huì)發(fā)生對(duì)準(zhǔn)失敗，無法充電的情況。非接觸式充電無需精準(zhǔn)對(duì)接即可完成充電過程，充電座無需裸露地觸點(diǎn)，加強(qiáng)了充電座的安全性，但目前還存在充電效率較低的問題。

東芝電池株式會(huì)社在專利申請(qǐng)JP2007275361 A 中提出了一種清潔機(jī)器人，其自動(dòng)清潔系統(tǒng)包括：充電器、清潔機(jī)器人，清潔機(jī)器人包括接觸端子，用于與充電器的接觸端子接觸以實(shí)現(xiàn)充電。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在專利申請(qǐng)CN103142183A 中提出了一種智能無線充電吸塵器系統(tǒng)，智能無線充電吸塵器系統(tǒng)，包括充電座和智能充電單元，充電座包括能量發(fā)射模塊、一號(hào)感應(yīng)裝置和一號(hào)控制器；智能充電單元包括能量接收模塊，二號(hào)感應(yīng)裝置和二號(hào)控制器。

4 結(jié)語

從掃地機(jī)器人的自動(dòng)回充技術(shù)的專利分析可以看出，國內(nèi)外對(duì)該技術(shù)的研究已經(jīng)相對(duì)較成熟，現(xiàn)階段的改進(jìn)點(diǎn)大多在于如何將已有的多種方式結(jié)合及分步驟地進(jìn)行引導(dǎo)，提高自動(dòng)回充的準(zhǔn)確性、可靠性。從數(shù)據(jù)分析可以看出，韓國在該領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)力處于領(lǐng)先地位。其中，掃地機(jī)器人的無線充電的相關(guān)申請(qǐng)數(shù)量還相對(duì)較少，市場上的掃地機(jī)器人幾乎全采用接觸式充電，主要原因是相對(duì)于接觸式充電，無線充電的效率仍然偏低，如何提高無線充電的效率仍有待研究。