扫地机器人的自动回充技术专利综述

周 香 许庆婷

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

0 引言

随着科学技术的进步和社会发展，服务型机器人逐渐进入人们的生活，其中最典型的就是扫地机器人。扫地机器人技术涉及多个学科，随着扫地机器人的普及，相关学科也成为国内外学者关注的热点。

目前市面上扫地机器人的品牌众多，为应对竞争激烈的市场环境，相关企业、科研团队需要不断完善扫地机器人的相关技术。扫地机器人主要包括吸尘部分和智能化部分［1］，在前期发展阶段，主要是改进吸尘部分的效能［2］，吸尘部分在原理上与传统的吸尘器类似，主要是在结构上进一步考虑尺寸、灵活度、集成度等。而现阶段，在保证较优良的吸尘效果的基础上，扫地机器人的研发方向集中在智能化部分，主要包括定位追踪技术、路径规划技术、传感器技术和自动回充技术等［3］。目前，市场上的扫地机器人基本能够实现智能化，即在没有人为干预的情况下，能够自主完成空间内的清洁任务。

1 自动回充技术

扫地机器人需要电池作为电源驱动，一般来说使用可充电电池。扫地机器人在工作一段时间后，需要对电池充电才能继续工作。如果不能自主完成充电，那么在充电完成后需要人工干预才能继续进行之前未完成的清洁工作，这样扫地机器人还是无法实现长期独立自主工作。若要实现完全意义上的独立自主，扫地机器人就必须具备在特定环境中自主充电的能力，即具备自动回充技术，扫地机器人自主感知外部充电座的位置，以便在电池需要充电的时候自动返回到外部充电座。

2001年，瑞典商业电器生产商伊莱克斯推出了三叶虫智能扫地机器人（如图1 所示），它是世界上第一款量产的智能扫地机器人，当其完成清扫任务或内置电池电量低时，会自动返回电源处充电［4］。2003 年，三星公司推出了VC-RP30W（如图2 所示），这是一款自动化程度很高的扫地机器人，它可以通过3D 地图技术进行定位，一旦发现自身电量不足，可以根据自身内置程序准确快速地回到充电座位置进行充电。

图1 三叶虫扫地智能机器人

图2 三星VC-RP30W

在国内，哈尔滨工业大学是最早开展智能机器人研究的单位之一，其研制的智能清扫机器人采用先进的移动机器人路径规划技术，用遥控器确定房间地图后，可自动寻找充电站对接进行自动充电。科沃斯扫地机器人是国内最早实现产品化的扫地机器人，它的充电座通过发射红外信号来引导机器人返回充电座。

扫地机器人的自动充电包括自动归位、对接和充电三个步骤。归位是指机器人能够回到充电座；对接是指以合适的姿态和角度进入充电座，以实现充电触点的可靠连接；充电的方式分为接触式和非接触式［5］。

2 扫地机器人自动回充技术专利申请状况分析

2.1 申请人国家分布

扫地机器人主动回充技术专利申请的申请人国家或地区分布如图3所示。由图3可知，中国、韩国在相关技术的申请量最大，其次为日本、美国、德国、欧洲及其他国家或地区。

图3 专利申请地申请人国家或地区分布

2.2 主要申请人

申请量排名前13的专利申请人如图4所示，分别是LG 电子株式会社（韩国）、三星公司（韩国）、江苏美的股份有限公司（中国）、泰怡凯电器有限公司（中国）、夏普公司（日本）、苏州宝时得电动工具有限公司（中国）、莱克电气股份有限公司（中国）、艾罗伯特公司（美国）、小米科技有限责任公司（中国）、松下电器有限公司（日本）、日立公司（日本）、恩斯迈电子有限公司（中国）、科沃斯机器人科技有限公司（中国）。

图4 申请量排名前13的申请人

国内申请人中，江苏美的股份有限公司、泰怡凯电器有限公司和苏州宝时得电动工具有限公司分别占据第三，第四和第六的位置。国外申请人中，韩国LG公司和三星公司申请量较多，分别排名第一和第二，可以看出韩国在该技术领域创新实力较强。

3 自动回充技术分析

3.1 自动归位技术

通过对专利技术的梳理可知，扫地机器人的自主归位方式主要以红外、超声波、照相机引导、设置识别图案、地图导航等多种方式结合为主。随着自动回充技术的不断发展，目前专利申请改进点大多在于如何将已有的多种方式结合，提高自动回充的准确性、可靠性。

3.1.1 基于红外信号的自动归位技术。充电站具有发射红外信号的发射装置，扫地机器人的接收装置在一定方向上可以接收到该红外信号，用以使扫地机器人回到充电座。该方式定位精度高，可以保证寻找的成功率，且原理简单，生产成本低。目前市场上大多数机型都是采用红外信号实现自动回充的。但该技术也存在着以下缺点：红外信号覆盖范围小，测量距离较短；红外信号无法穿透障碍物，当有障碍物遮挡红外信号时，无法自动归位；红外信号抗干扰能力差，易受环境的影响。

泰怡凯电器（苏州）有限公司在专利申请CN1650792A中提出一种自动吸尘器及其充电座和对接方法，充电座本体上设置背向墙根凸出的充电座向前凸起，充电极及红外发射装置位于充电座向前凸起的一侧部，自动吸尘器在充电座向前凸起的前面和侧部向前行进的同时旋转一定角度，直至侧面红外接收探头接收到红外发射装置发出的红外线信号，自动吸尘器才会停下来，再在原地旋转，至尾部红外接收探头探测到红外发射装置发出的红外线信号后，自动吸尘器朝着充电座后退，直至最后自动吸尘器与充电座对接成功。

3.1.2 基于超声波引导的自动归位技术。充电站具有发射超声波的发射装置，扫地机器人的接收装置接收到该超声波信号，引导扫地机器人自动归位。由于超声波可绕过障碍物、穿透门窗，扫地机器人的工作位置和充电座可以不在同一房间。但该方式同样存在易受干扰的缺点。

LG 电子公司在专利申请KR100575706B 中提出了一种扫地机器人回充系统和方法，通过使用定向射频天线和超声波传感器检测到无障碍物的最短距离来快速地将机器人清洁器返回充电站；充电站用射频信号发生器产生射频信号，引导机器人清洁器返回充电站，机器人清洁器基于感测到的射频信号的强度来检测到充电站的距离，并将检测到的距离与由超声波传感器检测到的到充电站的距离进行比较，根据比较结果来检测到充电站的最短路径；机器人清洁器具有射频定向天线、超声波传感器、存储器和微型计算机。

3.1.3 基于设置识别图案的自动归位技术。基于设置识别图案的自动归位技术，是在充电座上设置识别图案，扫地机器人通过传感器或照相机获取图像，并向充电座前进。

泰怡凯电器（苏州）有限公司在专利申请CN1403050A中提出了一种自动吸尘器的充电座及其自动吸尘器与充电座的对接方法，充电座体上设有奇数个条码安装平面，各个条码安装平面上设有竖条码，自动吸尘器通过红外传感器对条码安装平面进行扫码并记录竖条码数，根据扫码所得的竖条码数判断自动吸尘器本体所在的方位，并使自动吸尘器本体向着最中央的一个条码安装平面的中心竖条码的位置移动。

3.1.4 基于照相机的自动归位技术。基于照相机的自动归位技术，是采用照相机拍摄当前图像，分析扫地机器人的位置，计算路径，以使得扫地机器人自动返回充电器。但该方式使用的照相机成本较高，且机器人本体需要配有足够容量的存储器，整个成本随之提高；再者，进行图像对比，需要计算处理，机器人反应判别响应较慢，降低了机器人的工作效率。

三星光州电子株式会社在专利申请CN124514 0C 中提出了一种机器人吸尘器系统及其与充电设备对接方法，当确定收到充电命令信号时，机器人吸尘器用上部照相机拍摄当前的仰视图像，并计算机器人吸尘器的当前位置信息。机器人吸尘器基于当前位置信息和存储的外部充电设备的位置信息，计算返回到外部充电设备的路径，运用该信息，机器人吸尘器可沿计算好的路径行进。

3.2 自动对接技术

机器人要实现自动回充，不仅需要能够自动归位，还需要与充电座可靠对接，才能实现充电功能。扫地机器人的对接技术包括机械引导、磁铁吸引等方式。

株式会社日立制作所在专利申请JP200426723 6A 中提出了一种自动行走式清扫机和其中使用的充电装置，通过在充电座上设置导轨，其与扫地机上的导轨相互嵌合，使得充电端子和充电装置的充电端子接触，实现充电。LG 电子株式会社在专利申请KR20070112909A 中提出了一种扫地机的充电装置，通过磁体实现对充电座的固定，从而使得扫地机能够稳定地与充电装置电接触。

3.3 扫地机器人的充电方式

扫地机器人的充电方式分为接触式充电和非接触式充电。目前，市场上大多数扫地机器人采用的是接触式充电，接触式充电有以下缺点：由于需要对接机构，体积较大，占用较大家庭空间；可能会撞击充电装置，使其位置变化，经常需要人工将充电装置摆正；需要裸露的金属触点，容易发生危险；充电时必须准确对准充电装置的金属触点，有时会发生对准失败，无法充电的情况。非接触式充电无需精准对接即可完成充电过程，充电座无需裸露地触点，加强了充电座的安全性，但目前还存在充电效率较低的问题。

东芝电池株式会社在专利申请JP2007275361 A 中提出了一种清洁机器人，其自动清洁系统包括：充电器、清洁机器人，清洁机器人包括接触端子，用于与充电器的接触端子接触以实现充电。哈尔滨工业大学在专利申请CN103142183A 中提出了一种智能无线充电吸尘器系统，智能无线充电吸尘器系统，包括充电座和智能充电单元，充电座包括能量发射模块、一号感应装置和一号控制器；智能充电单元包括能量接收模块，二号感应装置和二号控制器。

4 结语

从扫地机器人的自动回充技术的专利分析可以看出，国内外对该技术的研究已经相对较成熟，现阶段的改进点大多在于如何将已有的多种方式结合及分步骤地进行引导，提高自动回充的准确性、可靠性。从数据分析可以看出，韩国在该领域的创新实力处于领先地位。其中，扫地机器人的无线充电的相关申请数量还相对较少，市场上的扫地机器人几乎全采用接触式充电，主要原因是相对于接触式充电，无线充电的效率仍然偏低，如何提高无线充电的效率仍有待研究。