掃地機(jī)器人自主導(dǎo)航專利技術(shù)綜述

高惠敏

【摘 ?要】本文主要針對(duì)掃地機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，統(tǒng)計(jì)掃地機(jī)器人在全球范圍內(nèi)的專利申請(qǐng)，對(duì)其進(jìn)行分析，并基于專利分析結(jié)果總結(jié)了技術(shù)分支以及國(guó)內(nèi)外重要申請(qǐng)人的技術(shù)路線，剖析掃地機(jī)器人自主導(dǎo)航的技術(shù)現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】掃地;機(jī)器人;自主導(dǎo)航;路徑規(guī)劃;室內(nèi)定位;環(huán)境感知;專利

一、前言

掃地機(jī)器人因其簡(jiǎn)單的操作以及便利性，逐漸成為智能家居的一部分。掃地機(jī)器人通過自主導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃以及避障，確保機(jī)器人能夠以較高覆蓋率以及低重復(fù)率完成清掃任務(wù)，這項(xiàng)技術(shù)需要傳感器、定位系統(tǒng)以及路徑規(guī)劃等多學(xué)科支持，是掃地機(jī)器人的技術(shù)核心。

二、掃地機(jī)器人技術(shù)概述

九十年代末至二十一世紀(jì)初，歐美日韓的家用電器制造商不約而同將研發(fā)火力投入智能掃地機(jī)器人市場(chǎng)。2001年家電巨頭ELECTROLUX推出三葉蟲智能掃地機(jī)器人，依靠單片機(jī)控制底部車輪自主行動(dòng)，機(jī)體裝置的反射式超聲波傳感器為機(jī)器人提供避障能力。掃地機(jī)器人具有無監(jiān)督自主工作的特性，其原本只是能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的清掃等工作的單純機(jī)械設(shè)備，現(xiàn)在通過增加自動(dòng)充電、路徑規(guī)劃、智能識(shí)別、智能交互等功能，成為智慧家庭中重要組成部分。掃地機(jī)器人是由傳感檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、移動(dòng)和吸塵系統(tǒng)組成，其關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)和自動(dòng)回充技術(shù)等。

三、掃地機(jī)器人的自主導(dǎo)航技術(shù)分支

本文對(duì)掃地機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)的相關(guān)專利申請(qǐng)進(jìn)行分析，基于CNABS、CNTXT中文數(shù)據(jù)庫(kù)以及DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)，通過去噪、人工篩選、標(biāo)引得到最終所要分析的專利數(shù)據(jù)樣本，通過瀏覽上述專利申請(qǐng)以及參考相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)所涉及的技術(shù)分支進(jìn)行分解，如圖1所示。

四、專利現(xiàn)狀分析

經(jīng)過檢索式檢索與簡(jiǎn)單人工篩選，最終篩選出專利申請(qǐng)1633件。如圖2所示，在全球范圍內(nèi)，最早的相關(guān)專利出現(xiàn)在1973年，但從1973-1993年的申請(qǐng)量較小，每年均在10件以下，處于技術(shù)探索時(shí)期。自1993年專利申請(qǐng)量緩慢增長(zhǎng)，處于技術(shù)積累期，增長(zhǎng)比較緩慢，隨著傳感技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展以及市場(chǎng)需求，2011至今申請(qǐng)量呈現(xiàn)幾何增長(zhǎng)狀態(tài)，處于快速增長(zhǎng)時(shí)期。國(guó)內(nèi)掃地機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)雖然起步較晚，但自2011年起專利申請(qǐng)量大幅增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)?jiān)谡麄€(gè)全球的申請(qǐng)量中所占的比重越來越高。

從全球?qū)＠暾?qǐng)的國(guó)別分布來看，中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、日本、歐洲國(guó)家是專利申請(qǐng)的主要原創(chuàng)國(guó)，上述國(guó)家和地區(qū)的申請(qǐng)量占到了全球申請(qǐng)總量的98%，也正是創(chuàng)新能力突出的國(guó)家和地區(qū)。中國(guó)和韓國(guó)分別占全球申請(qǐng)總量的50%和27%左右。中國(guó)作為人口最多，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮牡貐^(qū)，一直都是各個(gè)申請(qǐng)人主要的目標(biāo)市場(chǎng)地區(qū)。韓國(guó)的三星、LG，美國(guó)的IROBOT，日本的日立、夏普、松下、富士通，德國(guó)的VORWERK，瑞典的ELECTROLUX以及英國(guó)的DYSON，各國(guó)企業(yè)競(jìng)相發(fā)展，同時(shí)，中國(guó)國(guó)內(nèi)以科沃斯、美的為代表的企業(yè)等后起之秀，所占比重越來越高，中國(guó)在掃地機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展已躋身世界先進(jìn)水平。

五、技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)與重點(diǎn)專利分析

本文分別從傳感器技術(shù)、室內(nèi)定位、路徑規(guī)劃這三個(gè)分支對(duì)技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)作相應(yīng)梳理，同時(shí)對(duì)各分支的重點(diǎn)專利進(jìn)行分析。

1、傳感器技術(shù)

三星公司在1993年提出一件公開號(hào)為US1993073398A的專利申請(qǐng)，該申請(qǐng)是較早的將通過超聲波傳感技術(shù)與定位導(dǎo)航結(jié)合的傳感器技術(shù)相關(guān)專利。機(jī)器人通過超聲波傳感器檢測(cè)與障礙物之間的距離，通過光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器確定障礙物方向，機(jī)器人沿著房間外圍移動(dòng)，然后根據(jù)選定的程序覆蓋到剩余的區(qū)域。1999年西門子公司提出了公開號(hào)為US6591216 B1的專利，該專利提出使用紅外線傳感器感知障礙物，以此來建立物體周圍環(huán)境的熱影像。2001年家電巨頭ELECTROLUX推出三葉蟲智能掃地機(jī)器人，依靠單片機(jī)控制底部車輪自主行動(dòng)，機(jī)體裝置的反射式超聲波傳感器為機(jī)器人提供避障能力，但在靠近尖角障礙物時(shí)，由于超聲波反射的能力較少，難以檢測(cè)，容易發(fā)生碰撞。而紅外線傳感器也存在探測(cè)視角小、很難探測(cè)到前方狹小障礙物、透明物體或深色物體等缺點(diǎn)，為了更好的描述環(huán)境，多傳感器融合技術(shù)開始發(fā)展。三星公司在2012年提出一件公開號(hào)為EP2590042B1 B1的專利，其位置識(shí)別技術(shù)的研究主要表現(xiàn)在傳感器融合，通過多傳感器融合實(shí)現(xiàn)位置識(shí)別，提高位置估計(jì)的精度，進(jìn)而通過濾波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位。

2、室內(nèi)定位技術(shù)

科沃斯公司2002年在專利（CN2498979Y）中使用航跡推算法進(jìn)行定位，但無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性精確定位。為了解決該問題，絕對(duì)定位技術(shù)開始急速發(fā)展。美國(guó)IROBOT公司提出（US8954192 B2）的專利申請(qǐng)，其使用信標(biāo)定位法進(jìn)行室內(nèi)定位，在機(jī)器人上安裝傳感器對(duì)信標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。隨著市場(chǎng)對(duì)定位的精確要求越來越高，基于視覺的機(jī)器人定位近年來成為研究熱點(diǎn)，中國(guó)各公司也開始重視該方面的研究與專利布局?；谝曈X的定位主要包括單目視覺、雙目視覺。目前，基于視覺定位的掃地機(jī)器人也已有產(chǎn)品推出，Irobot和Dyson分別推出了高端系列RoomBa980和360Eye。

3、路徑規(guī)劃技術(shù)

作為智能掃地機(jī)器人核心功能技術(shù)，規(guī)劃一條滿足任務(wù)要求的安全、有效、可行的路徑，成為各項(xiàng)相關(guān)專利的核心討論問題。早期掃地機(jī)器人多采用隨機(jī)路徑行進(jìn)，如果不能建立環(huán)境地圖，就只能采用隨機(jī)路徑。三星公司于1993年提出的，公開號(hào)為GB2278937B的專利中提及一種導(dǎo)航控制系統(tǒng)，采用沿邊迂回的方法行進(jìn)，常用的方法還有內(nèi)外螺旋法等。雖然機(jī)器人路徑規(guī)劃已得到多領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)注，但至今智能掃地機(jī)器人仍沒有最佳的路徑規(guī)劃方案，由于環(huán)境的不確定性，要求機(jī)器人在規(guī)劃繞過障礙的前提下，還有自主避障的能力。近年來，如何實(shí)現(xiàn)全覆蓋路線規(guī)劃且提高效率與性價(jià)比，已成為研究熱點(diǎn)。全覆蓋路徑規(guī)劃方法多種多樣，各有優(yōu)劣，主要包括模板匹配法、單元分解法、人工勢(shì)場(chǎng)法和生物激勵(lì)法等。國(guó)內(nèi)的掃地機(jī)器人技術(shù)起步較晚，科沃斯公司的相關(guān)專利也大多使用隨機(jī)遍歷法進(jìn)行清掃。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文梳理了掃地機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)分支的發(fā)展情況，并對(duì)自主導(dǎo)航的核心專利和重要申請(qǐng)人進(jìn)行分析，有助于審查員全面了解相關(guān)功能的基本發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)涉及掃地機(jī)器人領(lǐng)域的審查工作有一定幫助。

參考文獻(xiàn)：

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[3]薛瑞范，面向掃地機(jī)器人的室內(nèi)定位研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015

（作者單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心）