牛立群，孫曉普

家用清潔機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)狀

牛立群，孫曉普

（山西嘉世達(dá)機(jī)器人技術(shù)有限公司，山西 太原 030006）

隨著生活節(jié)奏的加快，家用機(jī)器人在生活中應(yīng)用的比例增加。在家用機(jī)器人中，清潔機(jī)器人需求最為廣泛。介紹了家用清潔機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，可以為加快清潔機(jī)器人的研發(fā)提供一定的指導(dǎo)。

家用機(jī)器人；清潔機(jī)器人；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

1 引言

隨著生活節(jié)奏的加快，人們能用于做家務(wù)的時(shí)間越來(lái)越少。為此，很多家庭開(kāi)始考慮或已經(jīng)購(gòu)買了家用機(jī)器人。通過(guò)家用機(jī)器人可以輕松處理繁重的家務(wù)，既省時(shí)又省力。在所有家務(wù)中，清潔工作是人們生活中不可以避免的，而這可以通過(guò)家用清潔機(jī)器人來(lái)完成。由此可見(jiàn)，清潔機(jī)器人具有廣大的消費(fèi)市場(chǎng)[1-3]。在中國(guó)“十一五”期間，將家用服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人研究的一個(gè)重要的方向。認(rèn)識(shí)家用清潔機(jī)器人的現(xiàn)狀，有助于更好地研發(fā)方便人們生活的機(jī)器人。本文將圍繞著中國(guó)家用清潔機(jī)器人的現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)展開(kāi)研究。

2 家用清潔機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

日本的清潔機(jī)器人的研制處于世界領(lǐng)先水平。世界上第一個(gè)清潔機(jī)器人由日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa公司聯(lián)合研制成功，其可以在靠近墻壁的任何一個(gè)位置啟動(dòng)，并通過(guò)內(nèi)置的刷子將廢棄物掃入內(nèi)部自帶的容器中。這個(gè)機(jī)器人的控制采用“墻面復(fù)制方式”或“磁引導(dǎo)方式”。日本的靜甲株式會(huì)社的工廠也開(kāi)發(fā)了一種清潔機(jī)器人，采用了光線陀螺來(lái)控制機(jī)器人的方向，采用超聲波來(lái)感知機(jī)器人與墻面的距離，采用光線探測(cè)器來(lái)避開(kāi)障礙物。這種機(jī)器人使用起來(lái)非常安全，其內(nèi)部裝有觸覺(jué)傳感器，若人與機(jī)器接觸就會(huì)使機(jī)器停下來(lái)。松下和日立公司針對(duì)木質(zhì)地板和地毯研發(fā)了一種機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是帶有蓄電池作為動(dòng)力源并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。

清潔機(jī)器人由工業(yè)用走向家用經(jīng)歷了一段時(shí)間，具有代表性的就是2002年松下公司開(kāi)發(fā)的一種家庭清潔機(jī)器人試用機(jī)。該機(jī)器具有一定的智能性能，可以根據(jù)房間的形狀、地板材質(zhì)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(lái)非常安全，能避開(kāi)墻壁、爐子熱源等。通過(guò)內(nèi)部安裝的50個(gè)傳感器，在首次使用時(shí)，在房間運(yùn)行一周就可以記錄房間的形狀，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式清潔。在清掃完成后，該機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停止工作。值得注意的是，機(jī)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(fā)達(dá)國(guó)家也對(duì)家用清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究和推廣。2002年美國(guó)市面上出現(xiàn)了一種名為“Roomba”的機(jī)器人，其直徑約為6英寸（1英寸=2.54 cm），可以輕松地對(duì)家具縫隙間的垃圾進(jìn)行清掃。雖然其能安全地完成家庭清潔任務(wù)，但是工作起來(lái)移動(dòng)非常緩慢，需要耗費(fèi)較多的時(shí)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(jī)器人，其主要特點(diǎn)是可以避開(kāi)室內(nèi)擺放的家具進(jìn)行清掃。在工作時(shí)需要用戶領(lǐng)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(jìn)行清掃。其主要缺點(diǎn)是工作的路線是固定的，對(duì)地面的清潔效率不高。

中國(guó)的機(jī)器人研究起步相較于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家比較晚，這導(dǎo)致家用機(jī)器人在人們生活中的使用率不高。在近些年，隨著中國(guó)加大對(duì)機(jī)器人研發(fā)的投入增加，一些家用機(jī)器人的種類也逐漸增多。人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到機(jī)器給生活帶來(lái)的便利。

3 家用清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 路徑規(guī)劃和定位技術(shù)

在家用清潔機(jī)器人工作時(shí)，其工作的路徑和空間位置是十分重要的。工作路徑是指機(jī)器人根據(jù)周圍環(huán)境信息，規(guī)劃出的一條無(wú)障礙的路徑。機(jī)器人能按照這個(gè)路徑實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清潔工作。在路徑規(guī)劃時(shí)一定要考慮到動(dòng)態(tài)路徑和靜態(tài)路徑。動(dòng)態(tài)路徑是指在清掃過(guò)程中原定的路徑會(huì)出現(xiàn)某些障礙物，例如人和寵物等，此時(shí)需要重新規(guī)范清潔路徑。而靜態(tài)路徑是指清掃路徑與預(yù)定的路徑是相同的。一般情況下，在路徑發(fā)生改變時(shí)，需要考慮預(yù)定區(qū)域是否需要重新清掃[4]。

機(jī)器人路徑的設(shè)定是通過(guò)機(jī)器人的相對(duì)位置變化來(lái)完成的，保證空間位置的準(zhǔn)確性十分重要。雖然可以采用一些衛(wèi)星系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行定位，但是其精度并不高，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)房間的清掃不徹底。因此，一般采用一些空間參考點(diǎn)配合衛(wèi)星定位來(lái)保證機(jī)器人工作路徑的可靠性。

3.2 機(jī)器感知技術(shù)

所謂的機(jī)器感知技術(shù)，指的是機(jī)器人能實(shí)時(shí)地檢測(cè)自身狀態(tài)信息和收集外界環(huán)境信息，主要包括自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制、識(shí)別障礙物、垃圾清掃、清潔效果自檢以及路徑重新規(guī)劃等。大多數(shù)情況下，機(jī)器感知技術(shù)是通過(guò)傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，有內(nèi)用傳感器、傾角傳感器和外用傳感器。其中機(jī)器視覺(jué)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(shù)條件也比較高。在進(jìn)行機(jī)器感知時(shí)，需要多個(gè)傳感器的信號(hào)綜合處理才能確定機(jī)器人的工作狀態(tài)?？偟膩?lái)說(shuō)，使用的傳感器水平能在很大程度上決定著機(jī)器人的清掃能力。

4 家用清潔機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的家用清潔機(jī)器人多是一種自動(dòng)化的產(chǎn)品，智能化的水平并不高，主要體現(xiàn)在清掃時(shí)不能更科學(xué)地規(guī)劃路徑和根據(jù)地板上的垃圾量選擇合適的清掃方式。為此，需要發(fā)展具有更高智能的家用清潔機(jī)器人。這在未來(lái)是可能的，一方面是由于相關(guān)的技術(shù)條件已經(jīng)達(dá)到了，例如人工智能時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，另一方面是由于傳感器的制造技術(shù)也變得更加的成熟[5]。此外，由于技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，使得機(jī)器人的制造成本大幅度降低，這使得機(jī)器人的消費(fèi)比例也會(huì)大幅度提升。

在過(guò)去的家用清潔機(jī)器人中，很少采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，即圖像識(shí)別和處理技術(shù)。一方面是由于過(guò)去一些處理器對(duì)于圖像的識(shí)別速度比較慢，而另一方面是由于圖像識(shí)別采用的攝像頭設(shè)備成本過(guò)高。而現(xiàn)在隨著移動(dòng)設(shè)備的中央處理器能力大幅度增強(qiáng)，例如手機(jī)等，這使得在家用機(jī)器人中采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)成為了可能。采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)比采用其他的傳感器獲取的數(shù)據(jù)更加直觀，使得在處理中誤識(shí)別能大 幅度降低。與此同時(shí)，在進(jìn)行清潔時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)智能化處 理，可以輕松識(shí)別地板的材質(zhì)以及垃圾，從而做出更加有效的地板清潔方案。通過(guò)對(duì)地板上某些垃圾較多處的直接處理，而不是對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行清潔，大幅度提升了清潔的效率和質(zhì)量。

家用清潔機(jī)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(lái)機(jī)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(jī)器人能具有一些簡(jiǎn)單的思維，幫助人們完成一些繁重的體力勞動(dòng)。

圖1 智能化家用清潔機(jī)器人

5 小結(jié)

隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)正在逐步進(jìn)入人們的生活中，給人們生活帶來(lái)了巨大的便利。家用清潔機(jī)器人是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)中普遍使用的一種機(jī)器人。認(rèn)識(shí)家用清潔機(jī)器人的現(xiàn)狀，有助于更好地研發(fā)便于人們生活的機(jī)器人。中國(guó)的機(jī)器人研究起步相較于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家比較晚，隨著中國(guó)加大對(duì)機(jī)器人研發(fā)的投入，一些家用機(jī)器人的種類也逐漸增多。需要發(fā)展具有更高智能的家用清潔機(jī)器人。這在未來(lái)是可能的，一方面是由于相關(guān)的技術(shù)條件已經(jīng)達(dá)到了，例如人工智能時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，另一方面是由于傳感器的制造技術(shù)也變得更加的成熟。此外，由于技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，使得機(jī)器人的制造成本大幅度降低，這使得機(jī)器人的消費(fèi)比例也會(huì)大幅度提升。

［1］亓新，孫威威，董興江，等.家用清潔機(jī)器人性能要求標(biāo)準(zhǔn)解讀［J］.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2019（21）：144-148.

［2］李麗蘭，葉雙清.清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃專利技術(shù)綜述［J］.科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019，27（23）：21.

［3］褥銅，趙晨.智能清潔機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r淺析［J］.中國(guó)設(shè)備工程，2018（4）：146-147.

［4］王錦秋.基于HOLTEK MCU的智能居家清潔機(jī)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(jī)器人專利技術(shù)綜述［J］.中國(guó)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〕