掃地機器人只會掃地？大錯特錯！

目前，掃地機器人儼然成為了服務(wù)機器人領(lǐng)域的“香餑餑”。今年的雙十一，掃地機器人各大品牌賺得不亦樂乎?？删驮谶@個風(fēng)光的“搖錢樹”背后，到底隱藏了多少技術(shù)？未來，它又將何去何從？從本文一窺便知。
 

　　
經(jīng)過長期的發(fā)展，工業(yè)機器人在技術(shù)上已較為成熟，但服務(wù)機器人近年才獲得廣大科研人員和企業(yè)重視，并逐步進入普通百姓家庭，其發(fā)展歷史較短。目前，學(xué)術(shù)界對服務(wù)機器人沒有嚴(yán)格意義上的定義。國際機器人聯(lián)合會（IFR）給出的服務(wù)機器人概要定義為：服務(wù)機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務(wù)工作。

　　
服務(wù)機器人應(yīng)用范圍極為廣泛，如教育、娛樂、特種（安防、軍用）、導(dǎo)購、迎賓、醫(yī)療、金融、物流、電子商務(wù)、商務(wù)秘書等。其中，家庭清潔機器人是現(xiàn)階段銷售數(shù)量最多、應(yīng)用范圍最廣的一類服務(wù)機器人。家庭清潔機器人種類繁多，主要包括掃地機器人，拖地機器人、窗戶清潔機器人、空氣凈化機器人、吸塵機器人等。掃地機器人則是家庭清潔機器人的最主要成員，市場占比達到96%以上。

　　
服務(wù)機器人的需求量已超過工業(yè)機器人，表現(xiàn)出更為強勁的市場需求，提供了更為廣闊的市場想象空間。
 

　　
服務(wù)機器人能夠滿足人們?nèi)粘Ｉ钪械囊恍嶋H需求，并且大多數(shù)市場定價在幾百元至幾千元的范圍內(nèi)，近幾年其市場規(guī)模實現(xiàn)了爆炸式增長。根據(jù)IFR統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2014年全球服務(wù)機器人銷量達到330萬臺，銷售額約為12億美元，同比增長24%。預(yù)計2015年至2018年期間，服務(wù)機器人銷量將會大幅增長，累計銷量可達2590萬臺，銷售額預(yù)計可累計達到122億美元。同時，根據(jù)我國相關(guān)研究單位的預(yù)測，中國服務(wù)機器人市場規(guī)模，有望在2017年突破200億元。

　　
掃地機器人發(fā)展現(xiàn)狀

　　
隨著科學(xué)技術(shù)的進步和社會發(fā)展，特別是受生活節(jié)奏的加快和工作壓力的增大影響，人們希望更多地從繁瑣的家庭日常清潔事務(wù)中解脫出來。這無疑是清潔機器人進入家庭的市場訴求。

　　
掃地機器人作為清潔機器人的一種，其針對的目標(biāo)用戶是所有家庭，其需求痛點恰恰是為了使人們從日常地板清潔工作中解放出來，它迎合了市場痛點的需求。最早的掃地機器人來源于伊萊克斯、戴森等領(lǐng)銜的吸塵器行業(yè)。

　　
2002年伊萊克斯在原有高質(zhì)量吸塵器的基礎(chǔ)上，開發(fā)了“三葉蟲”掃地機器人——全世界第一款全自動掃地機器人。隨后iRobot公司先后生產(chǎn)了7代家務(wù)機器人Roomba，成為了這一領(lǐng)域的代表產(chǎn)品系列。

　
　2010年左右，國內(nèi)的掃地機器人品牌紛紛涌現(xiàn)，并逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，國內(nèi)市場已擁有幾十家掃地機器人品牌，如科沃斯、iRobot、?，斕?、地貝、Xrobot、海爾、美的、Prosenic、飛利浦和三星等。但是，本土成立且具備核心研發(fā)能力的掃地機器人企業(yè)占比并不高。
 

近幾年，掃地機器人正在以驚人的速度普及，市場發(fā)展十分迅猛。前期發(fā)展階段，掃地機器人主要以改進掃地效能為主。現(xiàn)階段，掃地機器人在保證提供較優(yōu)良的清潔效果后，勢必轉(zhuǎn)向多傳感器融合、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等智能化核心技術(shù)的發(fā)展方向上。

　　
掃地機器人關(guān)鍵技術(shù)

　　
用戶直觀可見的掃地機器人基本功能為清掃、吸塵、拖地等，因此相關(guān)企業(yè)在清掃毛刷的材料、結(jié)構(gòu)形式、旋轉(zhuǎn)速度/方式，以及吸塵原理、吸塵機構(gòu)形式、拖布材料、拖布布置方式、供水量、供水方式等基本功能原理和技術(shù)方面不斷優(yōu)化。同時，為了實現(xiàn)更好的清潔效果、更良好的用戶體驗，掃地機器人在人工智能相關(guān)領(lǐng)域涉及到如下幾項關(guān)鍵技術(shù)。

　　
多傳感器信息融合技術(shù)

　　
多傳感器信息融合是指綜合來自多個傳感器的感知數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的機器人狀態(tài)信息，如在掃地機器人中融合激光雷達、超聲傳感器、紅外傳感器、里程計的信息等。多傳感器信息融合處理的基本原理類似于人類大腦處理信息的過程，能夠通過對多種傳感器反饋信息的合理分析與使用，得以降低各種單一傳感器在空間和時間局限性方面的影響，并且通過冗余信息的解析，更加完善和更加精確地反映出檢測對象的特性，消除信息的不確定性，得到對觀測環(huán)境具備較高可行性的一致性結(jié)果。

　　
室內(nèi)導(dǎo)航和定位技術(shù)

　　
掃地機器人需要自主移動，無論是局部實時避障，還是全局規(guī)劃，都需要較精確地確定機器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置，以完成導(dǎo)航、避障及路徑規(guī)劃等任務(wù)。一般地，機器人通過航位推算方法、信標(biāo)定位方法以及混合定位方法，實現(xiàn)室內(nèi)移動機器人的導(dǎo)航和定位。

　　
航位推算方法是最為常用的一種方法，通過機器人自身的里程計、陀螺儀、加速度計等內(nèi)部傳感器，實時解算機器人自身的速度、姿態(tài)信息。以出發(fā)點為絕對零點，則可以漸進累加地推算出機器人當(dāng)前所在的位置和姿態(tài)。此種方法隨著工作時間的增加，積分運算誤差和定時系統(tǒng)時差引起的誤差將會逐漸累積，因此不適于長時間的精確定位。

　　
掃地機器人在室內(nèi)地板上的運動可視為在二維平面內(nèi)的運動，如果室內(nèi)允許布置信標(biāo)（如充電樁或其他滿足信標(biāo)條件的標(biāo)志物），則可以通過傳感器，檢測機器人與信標(biāo)之間的相對距離與位姿，實現(xiàn)掃地機器人的室內(nèi)導(dǎo)航與定位。信標(biāo)定位的優(yōu)點是可實現(xiàn)實時檢測，沒有累積誤差，精度穩(wěn)定性好，且可通過多信標(biāo)冗余覆蓋的方式，彼此互為位置校準(zhǔn)或當(dāng)某個信標(biāo)故障時，機器人仍可成功定位。

　　
混合定位方法融合了航位推算方法與信標(biāo)定位方法各自的優(yōu)勢。

　　
路徑規(guī)劃算法

　　
掃地機器人在工作過程中，需要盡量做到清掃面積全覆蓋且行走路徑不重疊，這就需要依據(jù)某個或某些優(yōu)化準(zhǔn)則進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，在其工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)，可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。

　　
根據(jù)對環(huán)境信息的把握程度，我們可以把路徑規(guī)劃分為，基于已知地圖的全局路徑規(guī)劃和基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃。其中，以獲取障礙物信息是靜態(tài)還是動態(tài)的角度看，全局路徑規(guī)劃屬于靜態(tài)規(guī)劃（離線規(guī)劃），局部路徑規(guī)劃屬于動態(tài)規(guī)劃（在線規(guī)劃）。

　　
全局路徑規(guī)劃需要建立工作空間的詳細(xì)地圖，根據(jù)地圖包含的環(huán)境信息進行路徑規(guī)劃；局部路徑規(guī)劃則根據(jù)傳感器實時采集的周邊環(huán)境信息，確定所在地圖的位置及其局部的障礙物分布情況，從而可以選出從當(dāng)前結(jié)點到鄰近子目標(biāo)結(jié)點的最優(yōu)路徑。

　　
常用路徑規(guī)劃算法主要有人工勢場法、Dijkstra算法、Floyed算法、SPFA算法(Bellman_Ford改進算法)、A*算法、D*算法、DWA算法、圖論最短算法、遺傳算法、元胞自動機算法、免疫算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群算法、粒子群算法等。

　　
掃地機器人技術(shù)發(fā)展趨勢

　　
高性價比、高性能傳感器的融合應(yīng)用

　　
目前，掃地機器人多采用紅外傳感器、接觸式傳感器、超聲波傳感器等，少部分高端機型使用了線掃描激光雷達傳感器。對于智能化的掃地機器人室內(nèi)定位和復(fù)雜路徑規(guī)劃的需求而言，傳感器提供的信息尚顯不足。

　　
將來，視覺傳感器（深度攝像頭、仿生視覺、結(jié)構(gòu)光傳感器）、低成本高性能激光雷達傳感器、軟體防碰撞接觸式傳感器等高性能、新型傳感器的應(yīng)用，將給掃地機器人決策提供更豐富的參考信息。同時，在算法層面，需要深挖多傳感器信息融合處理算法，在紛繁復(fù)雜的傳感器反饋信息中，提取有效信息，并根據(jù)優(yōu)化策略規(guī)則制定決策。

　　
家用功能的模塊化集成，實現(xiàn)智能掃地機器人多任務(wù)功能

　　
在實現(xiàn)掃地機器人基本的掃地、吸塵、拖地等功能的基礎(chǔ)上，模塊化集成，如空氣凈化、加濕、溝通交流、室內(nèi)玩具、兒童寫字板等功能模塊，實現(xiàn)智能化掃地機器人的一專多用。掃地機器人本體可以平臺化，即實現(xiàn)室內(nèi)智能移動平臺的功能，具備基本的避障、路徑規(guī)劃、軟硬件交互接口等功能，而其他功能均以模塊化的形式進行加載，給用戶更多的自主選擇余地，實現(xiàn)細(xì)分市場的拓展。

　　
智能程度提升、智能算法拓展應(yīng)用

　　
借助語音識別技術(shù)和圖像處理技術(shù)的逐步發(fā)展，如聲源定位和聲紋識別技術(shù)研究的深入、人臉識別技術(shù)的成熟、物品識別技術(shù)性能的提高，我們可更有效地提高掃地機器人對家庭環(huán)境的融入程度，提升掃地機器人與家庭成員的智能交互能力。

　　
同時，我們應(yīng)研究并設(shè)計各種智能人機接口，如多語種語音、自然語言理解、圖像、手寫字識別等，以更好地適應(yīng)不同用戶和不同的應(yīng)用任務(wù)，提高人與機器人交互的和諧性，實現(xiàn)人機交互的簡單化、多樣化、智能化、人性化。

　　
智能掃地機器人作為現(xiàn)階段銷量最大的家用服務(wù)機器人，未來將能夠?qū)φZ言進行自我學(xué)習(xí)，并在社會化環(huán)境中向他人學(xué)習(xí)，把這種語言能力轉(zhuǎn)化為自主學(xué)習(xí)和處理問題的能力。未來，機器人將掌握更多的自主性能力，實現(xiàn)智能掃地機器人功能定位的本質(zhì)性革新與發(fā)展。

　　
掃地機器人網(wǎng)絡(luò)節(jié)點化

　　
目前，部分智能掃地機器人已通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)了遠程控制功能，一些掃地機器人還安裝了監(jiān)控攝像頭，實現(xiàn)了遠程安防監(jiān)控的功能。掃地機器人體積小、可移動等特點成為其作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點的獨特優(yōu)勢，可延展遠程安防、智能家居、視頻/語音通訊終端、健康助理、陪伴聊天等多種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點化功能。

　　
前景看好

　　
掃地機器人市場處在不斷發(fā)展壯大的時期。為不斷提升用戶體驗和擬合實際功能的需求，掃地機器人會不斷進化和提升，將在融合型傳感系統(tǒng)、功能定位、智能化程度、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以及多機協(xié)作和自我學(xué)習(xí)等方面不斷發(fā)展，實現(xiàn)掃地機器人真正意義的智能化，使掃地機器人發(fā)展成為人們的家用高科技伙伴。

　　
蔡月日 北京航空航天大學(xué)機器人研究所研究員

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