家用清洁机器人的技术发展趋势与现状

牛立群，孙晓普

家用清洁机器人的技术发展趋势与现状

牛立群，孙晓普

（山西嘉世达机器人技术有限公司，山西 太原 030006）

随着生活节奏的加快，家用机器人在生活中应用的比例增加。在家用机器人中，清洁机器人需求最为广泛。介绍了家用清洁机器人的发展现状，并分析了其未来的发展趋势，可以为加快清洁机器人的研发提供一定的指导。

家用机器人；清洁机器人；发展现状；发展趋势

1 引言

随着生活节奏的加快，人们能用于做家务的时间越来越少。为此，很多家庭开始考虑或已经购买了家用机器人。通过家用机器人可以轻松处理繁重的家务，既省时又省力。在所有家务中，清洁工作是人们生活中不可以避免的，而这可以通过家用清洁机器人来完成。由此可见，清洁机器人具有广大的消费市场[1-3]。在中国“十一五”期间，将家用服务机器人作为机器人研究的一个重要的方向。认识家用清洁机器人的现状，有助于更好地研发方便人们生活的机器人。本文将围绕着中国家用清洁机器人的现状和未来的发展趋势展开研究。

2 家用清洁机器人的发展现状

日本的清洁机器人的研制处于世界领先水平。世界上第一个清洁机器人由日本铁路公司、Shink电器公司和Howa公司联合研制成功，其可以在靠近墙壁的任何一个位置启动，并通过内置的刷子将废弃物扫入内部自带的容器中。这个机器人的控制采用“墙面复制方式”或“磁引导方式”。日本的静甲株式会社的工厂也开发了一种清洁机器人，采用了光线陀螺来控制机器人的方向，采用超声波来感知机器人与墙面的距离，采用光线探测器来避开障碍物。这种机器人使用起来非常安全，其内部装有触觉传感器，若人与机器接触就会使机器停下来。松下和日立公司针对木质地板和地毯研发了一种机器人，其主要特点是带有蓄电池作为动力源并能实现自动充电。

清洁机器人由工业用走向家用经历了一段时间，具有代表性的就是2002年松下公司开发的一种家庭清洁机器人试用机。该机器具有一定的智能性能，可以根据房间的形状、地板材质以及地板上的垃圾量选择有效的清扫模式。更为重要的是使用起来非常安全，能避开墙壁、炉子热源等。通过内部安装的50个传感器，在首次使用时，在房间运行一周就可以记录房间的形状，实现移动式清洁。在清扫完成后，该机器人会自动停止工作。值得注意的是，机器人的清洁效率非常高，打扫一间房子只需要10 min左右。

欧美发达国家也对家用清洁机器人进行了大量的研究和推广。2002年美国市面上出现了一种名为“Roomba”的机器人，其直径约为6英寸（1英寸=2.54 cm），可以轻松地对家具缝隙间的垃圾进行清扫。虽然其能安全地完成家庭清洁任务，但是工作起来移动非常缓慢，需要耗费较多的时间。瑞典的拉克斯电子公司与日本东芝公司共同研制了一款名叫“特里洛巴伊特”的家庭清洁机器人，其主要特点是可以避开室内摆放的家具进行清扫。在工作时需要用户领着它在家里清扫一次，然后它就可以按照上次的行走路径进行清扫。其主要缺点是工作的路线是固定的，对地面的清洁效率不高。

中国的机器人研究起步相较于欧美发达国家比较晚，这导致家用机器人在人们生活中的使用率不高。在近些年，随着中国加大对机器人研发的投入增加，一些家用机器人的种类也逐渐增多。人们开始认识到机器给生活带来的便利。

3 家用清洁机器人的关键技术

3.1 路径规划和定位技术

在家用清洁机器人工作时，其工作的路径和空间位置是十分重要的。工作路径是指机器人根据周围环境信息，规划出的一条无障碍的路径。机器人能按照这个路径实现自动清洁工作。在路径规划时一定要考虑到动态路径和静态路径。动态路径是指在清扫过程中原定的路径会出现某些障碍物，例如人和宠物等，此时需要重新规范清洁路径。而静态路径是指清扫路径与预定的路径是相同的。一般情况下，在路径发生改变时，需要考虑预定区域是否需要重新清扫[4]。

机器人路径的设定是通过机器人的相对位置变化来完成的，保证空间位置的准确性十分重要。虽然可以采用一些卫星系统来进行定位，但是其精度并不高，这会导致对房间的清扫不彻底。因此，一般采用一些空间参考点配合卫星定位来保证机器人工作路径的可靠性。

3.2 机器感知技术

所谓的机器感知技术，指的是机器人能实时地检测自身状态信息和收集外界环境信息，主要包括自身运动状态控制、识别障碍物、垃圾清扫、清洁效果自检以及路径重新规划等。大多数情况下，机器感知技术是通过传感器技术来实现的，有内用传感器、倾角传感器和外用传感器。其中机器视觉是最有利的感知能力，它能提供周围非常丰富的信息，但是需要的技术条件也比较高。在进行机器感知时，需要多个传感器的信号综合处理才能确定机器人的工作状态。总的来说，使用的传感器水平能在很大程度上决定着机器人的清扫能力。

4 家用清洁机器人的发展趋势

现在市场上销售的家用清洁机器人多是一种自动化的产品，智能化的水平并不高，主要体现在清扫时不能更科学地规划路径和根据地板上的垃圾量选择合适的清扫方式。为此，需要发展具有更高智能的家用清洁机器人。这在未来是可能的，一方面是由于相关的技术条件已经达到了，例如人工智能时代已经到来，另一方面是由于传感器的制造技术也变得更加的成熟[5]。此外，由于技术竞争的优势，使得机器人的制造成本大幅度降低，这使得机器人的消费比例也会大幅度提升。

在过去的家用清洁机器人中，很少采用机器视觉技术，即图像识别和处理技术。一方面是由于过去一些处理器对于图像的识别速度比较慢，而另一方面是由于图像识别采用的摄像头设备成本过高。而现在随着移动设备的中央处理器能力大幅度增强，例如手机等，这使得在家用机器人中采用机器视觉技术已经成为了可能。采用机器视觉技术比采用其他的传感器获取的数据更加直观，使得在处理中误识别能大 幅度降低。与此同时，在进行清洁时更容易实现智能化处 理，可以轻松识别地板的材质以及垃圾，从而做出更加有效的地板清洁方案。通过对地板上某些垃圾较多处的直接处理，而不是对整个区域进行清洁，大幅度提升了清洁的效率和质量。

家用清洁机器人的功能将更加多元化，能模仿人的行为，如图1所示。在未来机器人不仅仅具有清洁功能，还具有其他的功能，例如做法、洗衣、整理衣物等。机器人能具有一些简单的思维，帮助人们完成一些繁重的体力劳动。

图1 智能化家用清洁机器人

5 小结

随着科技的发展，机器人已经正在逐步进入人们的生活中，给人们生活带来了巨大的便利。家用清洁机器人是人们日常生产中普遍使用的一种机器人。认识家用清洁机器人的现状，有助于更好地研发便于人们生活的机器人。中国的机器人研究起步相较于欧美发达国家比较晚，随着中国加大对机器人研发的投入，一些家用机器人的种类也逐渐增多。需要发展具有更高智能的家用清洁机器人。这在未来是可能的，一方面是由于相关的技术条件已经达到了，例如人工智能时代已经到来，另一方面是由于传感器的制造技术也变得更加的成熟。此外，由于技术竞争的优势，使得机器人的制造成本大幅度降低，这使得机器人的消费比例也会大幅度提升。

［1］亓新，孙威威，董兴江，等.家用清洁机器人性能要求标准解读［J］.中国标准化，2019（21）：144-148.

［2］李丽兰，叶双清.清洁机器人路径规划专利技术综述［J］.科技经济导刊，2019，27（23）：21.

［3］褥铜，赵晨.智能清洁机器人国内外发展状况浅析［J］.中国设备工程，2018（4）：146-147.

［4］王锦秋.基于HOLTEK MCU的智能居家清洁机器人［J］.黑龙江科技信息，2016（7）：32-33.

［5］陆婵婵，密雅荣.智能家庭清洁机器人专利技术综述［J］.中国新通信，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，河北秦皇岛人。

〔编辑：王霞〕