家用清洁机器人专利技术综述

王如想 陈然 董润

摘要：清洁机器人作为一种智能家用电器，能搭载人工智能技术，自动在房间内完成地面清洁工作。本文对全球家用清洁机器人专利申请趋势、主要申请人、重点专利进行分析，以期为相关企业、科研院所研究人员提供有益借鉴。

关键词：机器人;清洁;专利申请;技术综述

中图分类号：G306;TP242文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）18-00145-05

1 引言

室内清洁枯燥乏味，多次重复性的室内清洁，一定程度上降低了人们的生活质量。随着我国市场经济快速发展，国民物质生活水平不断提高，越来越多的消费者开始注重生活品质，以家庭服务为主要功能的清洁作业自动化与智能化的高效高质清洁机器人逐渐由实验室走进人们的生活中。

家用清洁机器人，又可以称为清洁机、智能吸尘器、清洁机器人等，是智能家用电器的重要组成部分。家用清洁机器人主要包括机器人主体框架、行走装置、控制装置、刷扫/抹布等清洁部件。部分清洁机器人采用真空吸尘模式，通过真空负压将地面的杂物或灰尘吸收，将其收入集尘盒内，进行地面清理工作。根据清洁需要，部分清洁机器人主体上设置有清洁液箱，能够容纳一定量的清洁液。清洁机器人也具备障碍物探测，触觉感应[1]，自动充电等多种功能，满足了人们高质量的生活需求。

2 专利申请情况

本文采用的专利文献数据来源于国家知识产权局专利检索系统，选取中英文关键词“清扫 or 清洁 or 扫地 or 拖地 or clean+”和“机器人 or robot”，检索国内外专利申请，时间截止到2020年3月5日之前的样本作为研究对象。由于未申请提前公开的发明专利申请在申请日后18个月才公开，因此部分专利申请由于未公开而不在本次文献采集之列。

2.1 国内外申请量分析

图1示出了家用清洁机器人国内外历年专利申请量分布。就全球专利申请而言，21世纪之前，专利申请量较少，且发展缓慢，此时清洁机器人研究尚处于基础理论和应用技术探索阶段，机器人制作成本高，集成化程度低，体积大，清洁效率低，且人工智能相关技术不成熟等因素都限制了其发展。进入21世纪，清洁机器人进入了缓慢发展期和快速发展期。21世纪前10年（2000—2010年），智能家用电器的发展、精密制作等关键技术的研究带动了清洁机器人整体上的一定程度发展，专利申请量较2000年之前有了一定的增长。另外，进入21世纪，人们对智能清洁的需求也一定程度上刺激了家用清洁机器人专利技术的快速发展。自2011年以来，随着AI技术、路径规划、地图构建与传感器技术、自动充电技术、激光雷达技术、人机交互技术等关键技术的发展，使清洁机器人搭载关键智能技术呈现出行业爆发式发展情景，家用清洁机器人进入了快速发展期。

通过国内、国外及全球申请量趋势曲线分析可知，我国家用清洁机器人领域技术进步发展与其他国家的技术发展速度是一致的。尤其是2011年以来，国内家用清洁机器人相关企业和科研院所寻找到的技术突破点及发展方向，赶超了同行业的发展水平，加快了家用清洁机器人技术研发，申请量快速增长，远超国外申请量。

2.2 主要申请人分析

2.2.1 主要申请人排名分析。图2为家用清洁机器人全球专利主要申请人排名情况。排名第一位的是中国美的公司，申请量为361件;紧随其后的分别是三星电子和iRobot公司，申请量为274、225件，说明美的、三星电子和iRobot公司非常重视在家用清洁机器人这一智能家电领域专利技术的布局;深圳市银星智能科技股份有限公司、美国MAYTRONICS LTD两家公司在家用清洁机器人领域也具有较强的技术实力，申请量均在100件以上;科沃斯机器人股份有限公司，作为国内兼具技术实力与产品市场且产品口碑较高的公司，是家用清洁机器人的国内佼佼者，该公司在清洁领域起步较早，且一直比较重视专利的市场布局;小狗电器互联网科技（北京）股份有限公司、珠海市一微半导体有限公司、广东宝乐机器人股份有限公司、LG电子也是家用清洁机器人这一技术领域的主要申请人，申请量均在60件以上，这些公司对家用清洁机器人技术的专利布局都比较重视。值得注意的是，中国美的公司对于知识产权的重视和布局在本领域处于领先地位，值得国内家用清洁机器人行业学习。

2.2.2 主要申请人申请趋势分析。为进一步研究美的公司、三星电子和美国iRobot公司在家用清洁机器人领域的专利申请情况，本文制作了三家公司在这一领域的申请量趋势，从申请量趋势可以明显的看出，2012年以前三星电子和iRobot公司已经开始布局，尤其是三星电子在1994年已经开始布局这一领域，2001年iRobot公司启动这一领域的专利布局，2012年以前两家公司的申请量均维持在每年10件左右。2012年开始，随着新一代通信技术、精密电子技术的发展，三星公司和iRobot公司加快了家用清洁机器人的研发和布局，三星公司在2014年年申请量达到最高值，以后出现下降趋势，iRobot公司持续不断的开展研发和技术布局，年申请量保持了一定的增长。值得注意的是，虽然中国美的公司在家用清洁机器人领域申请量较大，但公司在这一技术领域起步较晚，首次申请在2014年，在2014—2017年间，申请量保持平稳增长，经过几年持续不断的努力和技术积累，寻求到技术突破点和发力点，在2018年申请量实现了飞速发展，赶超同领域其他公司;综上，根据三家公司不同的专利布局模式可以预测得出，美的公司在未来仍然是该技术领域的主力军，而iRobot公司仍然会持续不断的投入研发，在这一领域占有一席之地，三星电子在寻求新的技术突破点之前申请量维持稳定。

2.2.3 主要申请人技术领域分析。A47L：家庭的洗涤或清扫;G05D：非电变量的控制或调节系统;B25J：机械手;装有操纵装置的容器;E04H：专门用途的建筑物或类似的构筑物;游泳或喷水浴槽或池;桅杆;围栏;一般帐篷或天篷;G01S：无线电定向;无线电导航;采用无线电波测距或测速;采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测;采用其他波的类似装置;H02J：供電或配电的电路装置或系统;电能存储系统;G06F：电数字数据处理;G05B：一般的控制或调节系统;这种系统的功能单元;用于这种系统或单元的监视或测试装置;G01C：测量距离、水准或者方位;勘测;导航;陀螺仪;摄影测量学或视频测量学;B08B：一般清洁;一般污垢的防除;G06K：数据识别;数据表示;记录载体;记录载体的处理。

由表1和图5呈现的家用清洁机器人技术在全球范围的技术主题分布情况分析可知：A47L（家用清洁）分类位置下的专利申请量最多，达到1068件，排在第二位的是G05D（非电变量的控制或调节系统），申请量为249件;排在第三位的是B25J（机械手，装有操纵装置的容器），专利申请量为218件;排在第四位的E04H申请量也在100件以上;另外，G01S，H02J，G06F，G05B，G01C，B08B，G06K几个分类位置下的专利申请量也有涉及;由此可推定，家用清洁机器人在向智能化、便捷化发展。

另外，通过主要申请人的技术领域分布情况可知，与三星电子和iRobot公司相比美的公司涉及的技术领域更广，三星电子涉及对清扫机器人控制方法和控制系统较其他公司多。美的公司的技术布局在涉及到控制系统和控制方法，以及硬件结构。值得一提的是，美的公司在这一领域的专利技术布局也较多的涉及无线电导航、无线电测距，无线定位等，体现在清洁机器人的具体功能表现为自动充电、障碍物感测、障碍物定位、人机交互等，由此进一步得到主要申请人的研究方向在逐步向智能化、便捷化发展，给用户更好的体验。

2.2.4 主要申请技术路线分析。在家用清洁机器人领域，iRobot公司的产品和专利申请都占据较大的市场份额，统计发现iRobot公司在家用清洁机器人领域共计225项申请，从目标市场来看，iRobot作为一家美国企业，国内申请量178件，对本土市场非常重视，在欧洲市场申请72件，中国66件，日本62件，澳大利亚33件，韩国14件，通过PCT提交申请39件，由此可见，iRobot除了在本土市场进行专利布局外，在欧洲、日本、中国、澳大利亚都有相当数量的专利布局。

图4为iRobot公司家用清潔机器人重要专利技术分支，iRobot公司是由全球知名MIT计算机科学与人工智能实验室技术转移及投资成立的机器人产品与技术专业研发公司，因此，该公司的重要专利主要集中在硬件结构和智能控制领域。智能控制也是iRobot公司产品智能化提升的表现，公司生产的机器人起初用于军方，2002年9月正式开启家用机器人市场，第一件清洁机器人领域的专利申请在2002年1月。通过重要专利技术分支可以发现该公司在硬件结构方面重点在于机器人干湿分区清洁结构的改进、设置机器人外部维护站用于回收过多的垃圾，清洁机器人主要结构如清洁部件、过滤组件等的改进，针对机器人灵活工作的硬件结构也有涉及;在智能控制领域更多的专利涉及电量自动检测及自动充电，智能导航及智能避障，地图建模和路径规划，智能控制是清洁机器人产品具有竞争力的核心关键技术，也是企业关注的重点技术。

3 重点专利分析

本文分别从家用清洁机器人的结构、发展方向和技术热点等方面筛选本领域重点专利进行分析，重点专利筛选时综合考虑了专利的被引用频次、同族专利数量、保护范围、申请人的重要程度、在技术发展过程中的地位等因素，具体如下：

3.1 专利US20050192707A1

申请人：三星电子

申请日：20050106

发明名称：一种清洁机器人的灰尘检测方法和装置

技术方案：灰尘检测方法包括：获取地板的图像作为当前地板预定位置的图像，获得当前地板图像和背景图像之间的差异图像，差异图像的获得包括图像特征点的选择，通过差异图像检测地板灰尘并调整吸尘器的吸尘功率。可增加自动清洁过程的效率检测地板上的灰尘，调节清洗机器人的清洗动力，并修改所述清洁机器人的清洁路径。

专利重要性分析：该专利具有同族专利4篇，被引用数量为165次，目前处于有效状态。该专利属于家用清洁机器人智能化的雏形，为家用清洁机器人智能化提供了技术思路，通过对清洁机器人图形图像及路径的最优选择，提高了清洁机器人的清洁效率。该专利为清洁机器人路径选择技术分支的基础性专利，相关领域的研发人员和审查员可参考该专利及引用该专利的文献，了解相关技术的基础和发展。

3.2 专利US20060235570A1

申请人：LG电子

申请日：20051208

发明名称：无线可控清洁机器人及其遥控系统

技术方案：本发明公开了一种可无线控制的清洁机器人和用于控制该清洁机器人的远程控制系统，其中清洁机器人的驱动通过从具有各种无线通信功能的许多外部设备发送的各种控制信号来控制。所述清洁机器人包括无线通信模块和微处理器。无线通信模块基于各种无线通信协议接收从外部设备发送的控制信号。微处理器基于相应的无线通信协议解码通过无线通信模块接收的控制信号，并响应于解码的操作命令控制清洁机器人的驱动。

重要性分析：该专利具有同族专利7篇，60篇在后申请引证，专利经过技术转让。该技术方案搭载了通信技术，通过无线通信协议实现对家用清洁机器人的远程控制，为人机交互提供了技术支持，为家用清洁机器人人机交互通信连接领域的基础专利。

3.3 专利：US20080307590A1

申请人：iRobot公司

申请日（优先权日）：20020103

发明名称：自主式地面清洁机器人

技术方案：清洁机器人通过优化清洁能力和其清洗机构用于协同作业，提高清洁效率，同时最小化或减少功率需求，具体技术方案为：自动地板清洁机器人的基础结构包括底盘，动力子系统，自动调节系统，控制系统，障碍传感器;障碍传感器用于检测障碍物，并将障碍物信息传递至控制模块;机器人的刷组件，真空组件相互配合，底盘能用于自动响应于扭矩的变化，侧刷感应颗粒的方向，控制系统控制机器人的集尘装置向颗粒方向扭转。

专利重要性分析：该专利具有同族专利243，被引用数量为211次，目前处于有效状态。该专利公开的家用清洁机器人能感应周围环境信息，并根据上述信息作出响应，根据响应实现自动避障及自动感应颗粒方向，提升了清洁机器人的工作效率。

3.4 专利CN2008100602049

申请人：浙江大学

申请日：20080331

发明名称：遥控式爬壁清洁机器人

技术方案：在清洁机器人主体板下设置一前一后两吸盘，两吸盘中的负压分别由两微型真空泵提供，在机器人的前后分别设置一对圆形清洁盘，机器人的转向功能由换向机构、遥控电路和遥控器配合实现，通过遥控器控制换向机构的动作，实现机器人前进、后退、左转、右转四个方位的移动。机器人的越障检测由四个接近开关和四个提起机构实现，由于具备越障功能，能替代人从事恶劣作业环境下的壁面清洗作业，提高清洗速度，减轻工人劳动强度。

重要性分析：该专利具有同族专利7篇，21篇在后申请引证。该機器人通过巧妙的结构设置，实现机器人高效完成清洁工作，能够多方位的移动，实现清洁机器人灵活的移动，能够实现多角度的清扫，为清洁机器人结构改进重要专利。

4 结语

全球范围内，家用清洁机器人专利申请量自2011年以来呈现快速增长趋势，且主要申请人为美的、三星电子、iRobot公司。随着经济社会的发展，人们对家用清洁机器人的需求逐渐增多，家用清洁机器人也越来越多的走进我们的生活。在技术层面上，家用清洁机器人的技术体系脉络比较清晰，对实现家用清洁机器人智能化、专业化、高效、低成本、集成化的方案设计已慢慢趋于成熟，但对于智能性提升、成本控制、清洁效果等方面的研发仍然是目前的研究重点[2];在市场层面上，随着人们对使用体验的要求提高及生活节奏的加快，家用清洁机器人在家庭中也将逐步普及，市场蕴含的经济效益将会推动家用清洁机器人的进一步发展;在专利层面，随着AI技术[3]、机器人算法、自主识别、路径规划、人机交互等技术的日趋成熟，专利申请从装置、方法、系统结构层面逐步向具体应用、衍生技术等层面发展，在当前的专利申请中，应用、改进类的家用清洁机器人已逐步成为家用清洁机器人的主要申请方向，这是相关企业竞争家用清洁机器人市场的一个发力点，各企业在该方向上的竞争，也推动了家用清洁机器人技术更加快速地发展。

参考文献：

[1] 符秀辉，韦建辉，欧阳淑丽.一类家用清洁机器人的研究[J].仪器仪表学报，2012，33（8）：195-196.

[2] 国家知识产权局专利分析和预警工作领导小组.前沿技术领域专利竞争格局与趋势[M].北京：知识产权出版社，2018：140-141.

[3] 韩力群.服务机器人亟待AI技术赋能[J].Columm专栏·智慧机器人，2019（12）：82-83.