家用清潔機(jī)器人專利技術(shù)綜述

王如想 陳然 董潤(rùn)

摘要：清潔機(jī)器人作為一種智能家用電器，能搭載人工智能技術(shù)，自動(dòng)在房間內(nèi)完成地面清潔工作。本文對(duì)全球家用清潔機(jī)器人專利申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人、重點(diǎn)專利進(jìn)行分析，以期為相關(guān)企業(yè)、科研院所研究人員提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;清潔;專利申請(qǐng);技術(shù)綜述

中圖分類號(hào)：G306;TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）18-00145-05

1 引言

室內(nèi)清潔枯燥乏味，多次重復(fù)性的室內(nèi)清潔，一定程度上降低了人們的生活質(zhì)量。隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)民物質(zhì)生活水平不斷提高，越來越多的消費(fèi)者開始注重生活品質(zhì)，以家庭服務(wù)為主要功能的清潔作業(yè)自動(dòng)化與智能化的高效高質(zhì)清潔機(jī)器人逐漸由實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)人們的生活中。

家用清潔機(jī)器人，又可以稱為清潔機(jī)、智能吸塵器、清潔機(jī)器人等，是智能家用電器的重要組成部分。家用清潔機(jī)器人主要包括機(jī)器人主體框架、行走裝置、控制裝置、刷掃/抹布等清潔部件。部分清潔機(jī)器人采用真空吸塵模式，通過真空負(fù)壓將地面的雜物或灰塵吸收，將其收入集塵盒內(nèi)，進(jìn)行地面清理工作。根據(jù)清潔需要，部分清潔機(jī)器人主體上設(shè)置有清潔液箱，能夠容納一定量的清潔液。清潔機(jī)器人也具備障礙物探測(cè)，觸覺感應(yīng)[1]，自動(dòng)充電等多種功能，滿足了人們高質(zhì)量的生活需求。

2 專利申請(qǐng)情況

本文采用的專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索系統(tǒng)，選取中英文關(guān)鍵詞“清掃 or 清潔 or 掃地 or 拖地 or clean+”和“機(jī)器人 or robot”，檢索國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)，時(shí)間截止到2020年3月5日之前的樣本作為研究對(duì)象。由于未申請(qǐng)?zhí)崆肮_的發(fā)明專利申請(qǐng)?jiān)谏暾?qǐng)日后18個(gè)月才公開，因此部分專利申請(qǐng)由于未公開而不在本次文獻(xiàn)采集之列。

2.1 國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)量分析

圖1示出了家用清潔機(jī)器人國(guó)內(nèi)外歷年專利申請(qǐng)量分布。就全球?qū)＠暾?qǐng)而言，21世紀(jì)之前，專利申請(qǐng)量較少，且發(fā)展緩慢，此時(shí)清潔機(jī)器人研究尚處于基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)探索階段，機(jī)器人制作成本高，集成化程度低，體積大，清潔效率低，且人工智能相關(guān)技術(shù)不成熟等因素都限制了其發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，清潔機(jī)器人進(jìn)入了緩慢發(fā)展期和快速發(fā)展期。21世紀(jì)前10年（2000—2010年），智能家用電器的發(fā)展、精密制作等關(guān)鍵技術(shù)的研究帶動(dòng)了清潔機(jī)器人整體上的一定程度發(fā)展，專利申請(qǐng)量較2000年之前有了一定的增長(zhǎng)。另外，進(jìn)入21世紀(jì)，人們對(duì)智能清潔的需求也一定程度上刺激了家用清潔機(jī)器人專利技術(shù)的快速發(fā)展。自2011年以來，隨著AI技術(shù)、路徑規(guī)劃、地圖構(gòu)建與傳感器技術(shù)、自動(dòng)充電技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，使清潔機(jī)器人搭載關(guān)鍵智能技術(shù)呈現(xiàn)出行業(yè)爆發(fā)式發(fā)展情景，家用清潔機(jī)器人進(jìn)入了快速發(fā)展期。

通過國(guó)內(nèi)、國(guó)外及全球申請(qǐng)量趨勢(shì)曲線分析可知，我國(guó)家用清潔機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步發(fā)展與其他國(guó)家的技術(shù)發(fā)展速度是一致的。尤其是2011年以來，國(guó)內(nèi)家用清潔機(jī)器人相關(guān)企業(yè)和科研院所尋找到的技術(shù)突破點(diǎn)及發(fā)展方向，趕超了同行業(yè)的發(fā)展水平，加快了家用清潔機(jī)器人技術(shù)研發(fā)，申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超國(guó)外申請(qǐng)量。

2.2 主要申請(qǐng)人分析

2.2.1 主要申請(qǐng)人排名分析。圖2為家用清潔機(jī)器人全球?qū)＠饕暾?qǐng)人排名情況。排名第一位的是中國(guó)美的公司，申請(qǐng)量為361件;緊隨其后的分別是三星電子和iRobot公司，申請(qǐng)量為274、225件，說明美的、三星電子和iRobot公司非常重視在家用清潔機(jī)器人這一智能家電領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的布局;深圳市銀星智能科技股份有限公司、美國(guó)MAYTRONICS LTD兩家公司在家用清潔機(jī)器人領(lǐng)域也具有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，申請(qǐng)量均在100件以上;科沃斯機(jī)器人股份有限公司，作為國(guó)內(nèi)兼具技術(shù)實(shí)力與產(chǎn)品市場(chǎng)且產(chǎn)品口碑較高的公司，是家用清潔機(jī)器人的國(guó)內(nèi)佼佼者，該公司在清潔領(lǐng)域起步較早，且一直比較重視專利的市場(chǎng)布局;小狗電器互聯(lián)網(wǎng)科技（北京）股份有限公司、珠海市一微半導(dǎo)體有限公司、廣東寶樂機(jī)器人股份有限公司、LG電子也是家用清潔機(jī)器人這一技術(shù)領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人，申請(qǐng)量均在60件以上，這些公司對(duì)家用清潔機(jī)器人技術(shù)的專利布局都比較重視。值得注意的是，中國(guó)美的公司對(duì)于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重視和布局在本領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，值得國(guó)內(nèi)家用清潔機(jī)器人行業(yè)學(xué)習(xí)。

2.2.2 主要申請(qǐng)人申請(qǐng)趨勢(shì)分析。為進(jìn)一步研究美的公司、三星電子和美國(guó)iRobot公司在家用清潔機(jī)器人領(lǐng)域的專利申請(qǐng)情況，本文制作了三家公司在這一領(lǐng)域的申請(qǐng)量趨勢(shì)，從申請(qǐng)量趨勢(shì)可以明顯的看出，2012年以前三星電子和iRobot公司已經(jīng)開始布局，尤其是三星電子在1994年已經(jīng)開始布局這一領(lǐng)域，2001年iRobot公司啟動(dòng)這一領(lǐng)域的專利布局，2012年以前兩家公司的申請(qǐng)量均維持在每年10件左右。2012年開始，隨著新一代通信技術(shù)、精密電子技術(shù)的發(fā)展，三星公司和iRobot公司加快了家用清潔機(jī)器人的研發(fā)和布局，三星公司在2014年年申請(qǐng)量達(dá)到最高值，以后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，iRobot公司持續(xù)不斷的開展研發(fā)和技術(shù)布局，年申請(qǐng)量保持了一定的增長(zhǎng)。值得注意的是，雖然中國(guó)美的公司在家用清潔機(jī)器人領(lǐng)域申請(qǐng)量較大，但公司在這一技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，首次申請(qǐng)?jiān)?014年，在2014—2017年間，申請(qǐng)量保持平穩(wěn)增長(zhǎng)，經(jīng)過幾年持續(xù)不斷的努力和技術(shù)積累，尋求到技術(shù)突破點(diǎn)和發(fā)力點(diǎn)，在2018年申請(qǐng)量實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，趕超同領(lǐng)域其他公司;綜上，根據(jù)三家公司不同的專利布局模式可以預(yù)測(cè)得出，美的公司在未來仍然是該技術(shù)領(lǐng)域的主力軍，而iRobot公司仍然會(huì)持續(xù)不斷的投入研發(fā)，在這一領(lǐng)域占有一席之地，三星電子在尋求新的技術(shù)突破點(diǎn)之前申請(qǐng)量維持穩(wěn)定。

2.2.3 主要申請(qǐng)人技術(shù)領(lǐng)域分析。A47L：家庭的洗滌或清掃;G05D：非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng);B25J：機(jī)械手;裝有操縱裝置的容器;E04H：專門用途的建筑物或類似的構(gòu)筑物;游泳或噴水浴槽或池;桅桿;圍欄;一般帳篷或天篷;G01S：無線電定向;無線電導(dǎo)航;采用無線電波測(cè)距或測(cè)速;采用無線電波的反射或再輻射的定位或存在檢測(cè);采用其他波的類似裝置;H02J：供電或配電的電路裝置或系統(tǒng);電能存儲(chǔ)系統(tǒng);G06F：電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理;G05B：一般的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng);這種系統(tǒng)的功能單元;用于這種系統(tǒng)或單元的監(jiān)視或測(cè)試裝置;G01C：測(cè)量距離、水準(zhǔn)或者方位;勘測(cè);導(dǎo)航;陀螺儀;攝影測(cè)量學(xué)或視頻測(cè)量學(xué);B08B：一般清潔;一般污垢的防除;G06K：數(shù)據(jù)識(shí)別;數(shù)據(jù)表示;記錄載體;記錄載體的處理。

由表1和圖5呈現(xiàn)的家用清潔機(jī)器人技術(shù)在全球范圍的技術(shù)主題分布情況分析可知：A47L（家用清潔）分類位置下的專利申請(qǐng)量最多，達(dá)到1068件，排在第二位的是G05D（非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)），申請(qǐng)量為249件;排在第三位的是B25J（機(jī)械手，裝有操縱裝置的容器），專利申請(qǐng)量為218件;排在第四位的E04H申請(qǐng)量也在100件以上;另外，G01S，H02J，G06F，G05B，G01C，B08B，G06K幾個(gè)分類位置下的專利申請(qǐng)量也有涉及;由此可推定，家用清潔機(jī)器人在向智能化、便捷化發(fā)展。

另外，通過主要申請(qǐng)人的技術(shù)領(lǐng)域分布情況可知，與三星電子和iRobot公司相比美的公司涉及的技術(shù)領(lǐng)域更廣，三星電子涉及對(duì)清掃機(jī)器人控制方法和控制系統(tǒng)較其他公司多。美的公司的技術(shù)布局在涉及到控制系統(tǒng)和控制方法，以及硬件結(jié)構(gòu)。值得一提的是，美的公司在這一領(lǐng)域的專利技術(shù)布局也較多的涉及無線電導(dǎo)航、無線電測(cè)距，無線定位等，體現(xiàn)在清潔機(jī)器人的具體功能表現(xiàn)為自動(dòng)充電、障礙物感測(cè)、障礙物定位、人機(jī)交互等，由此進(jìn)一步得到主要申請(qǐng)人的研究方向在逐步向智能化、便捷化發(fā)展，給用戶更好的體驗(yàn)。

2.2.4 主要申請(qǐng)技術(shù)路線分析。在家用清潔機(jī)器人領(lǐng)域，iRobot公司的產(chǎn)品和專利申請(qǐng)都占據(jù)較大的市場(chǎng)份額，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)iRobot公司在家用清潔機(jī)器人領(lǐng)域共計(jì)225項(xiàng)申請(qǐng)，從目標(biāo)市場(chǎng)來看，iRobot作為一家美國(guó)企業(yè)，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量178件，對(duì)本土市場(chǎng)非常重視，在歐洲市場(chǎng)申請(qǐng)72件，中國(guó)66件，日本62件，澳大利亞33件，韓國(guó)14件，通過PCT提交申請(qǐng)39件，由此可見，iRobot除了在本土市場(chǎng)進(jìn)行專利布局外，在歐洲、日本、中國(guó)、澳大利亞都有相當(dāng)數(shù)量的專利布局。

圖4為iRobot公司家用清潔機(jī)器人重要專利技術(shù)分支，iRobot公司是由全球知名MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)移及投資成立的機(jī)器人產(chǎn)品與技術(shù)專業(yè)研發(fā)公司，因此，該公司的重要專利主要集中在硬件結(jié)構(gòu)和智能控制領(lǐng)域。智能控制也是iRobot公司產(chǎn)品智能化提升的表現(xiàn)，公司生產(chǎn)的機(jī)器人起初用于軍方，2002年9月正式開啟家用機(jī)器人市場(chǎng)，第一件清潔機(jī)器人領(lǐng)域的專利申請(qǐng)?jiān)?002年1月。通過重要專利技術(shù)分支可以發(fā)現(xiàn)該公司在硬件結(jié)構(gòu)方面重點(diǎn)在于機(jī)器人干濕分區(qū)清潔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、設(shè)置機(jī)器人外部維護(hù)站用于回收過多的垃圾，清潔機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)如清潔部件、過濾組件等的改進(jìn)，針對(duì)機(jī)器人靈活工作的硬件結(jié)構(gòu)也有涉及;在智能控制領(lǐng)域更多的專利涉及電量自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)充電，智能導(dǎo)航及智能避障，地圖建模和路徑規(guī)劃，智能控制是清潔機(jī)器人產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力的核心關(guān)鍵技術(shù)，也是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)技術(shù)。

3 重點(diǎn)專利分析

本文分別從家用清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、發(fā)展方向和技術(shù)熱點(diǎn)等方面篩選本領(lǐng)域重點(diǎn)專利進(jìn)行分析，重點(diǎn)專利篩選時(shí)綜合考慮了專利的被引用頻次、同族專利數(shù)量、保護(hù)范圍、申請(qǐng)人的重要程度、在技術(shù)發(fā)展過程中的地位等因素，具體如下：

3.1 專利US20050192707A1

申請(qǐng)人：三星電子

申請(qǐng)日：20050106

發(fā)明名稱：一種清潔機(jī)器人的灰塵檢測(cè)方法和裝置

技術(shù)方案：灰塵檢測(cè)方法包括：獲取地板的圖像作為當(dāng)前地板預(yù)定位置的圖像，獲得當(dāng)前地板圖像和背景圖像之間的差異圖像，差異圖像的獲得包括圖像特征點(diǎn)的選擇，通過差異圖像檢測(cè)地板灰塵并調(diào)整吸塵器的吸塵功率。可增加自動(dòng)清潔過程的效率檢測(cè)地板上的灰塵，調(diào)節(jié)清洗機(jī)器人的清洗動(dòng)力，并修改所述清潔機(jī)器人的清潔路徑。

專利重要性分析：該專利具有同族專利4篇，被引用數(shù)量為165次，目前處于有效狀態(tài)。該專利屬于家用清潔機(jī)器人智能化的雛形，為家用清潔機(jī)器人智能化提供了技術(shù)思路，通過對(duì)清潔機(jī)器人圖形圖像及路徑的最優(yōu)選擇，提高了清潔機(jī)器人的清潔效率。該專利為清潔機(jī)器人路徑選擇技術(shù)分支的基礎(chǔ)性專利，相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)人員和審查員可參考該專利及引用該專利的文獻(xiàn)，了解相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)和發(fā)展。

3.2 專利US20060235570A1

申請(qǐng)人：LG電子

申請(qǐng)日：20051208

發(fā)明名稱：無線可控清潔機(jī)器人及其遙控系統(tǒng)

技術(shù)方案：本發(fā)明公開了一種可無線控制的清潔機(jī)器人和用于控制該清潔機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，其中清潔機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)通過從具有各種無線通信功能的許多外部設(shè)備發(fā)送的各種控制信號(hào)來控制。所述清潔機(jī)器人包括無線通信模塊和微處理器。無線通信模塊基于各種無線通信協(xié)議接收從外部設(shè)備發(fā)送的控制信號(hào)。微處理器基于相應(yīng)的無線通信協(xié)議解碼通過無線通信模塊接收的控制信號(hào)，并響應(yīng)于解碼的操作命令控制清潔機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)。

重要性分析：該專利具有同族專利7篇，60篇在后申請(qǐng)引證，專利經(jīng)過技術(shù)轉(zhuǎn)讓。該技術(shù)方案搭載了通信技術(shù)，通過無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)家用清潔機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，為人機(jī)交互提供了技術(shù)支持，為家用清潔機(jī)器人人機(jī)交互通信連接領(lǐng)域的基礎(chǔ)專利。

3.3 專利：US20080307590A1

申請(qǐng)人：iRobot公司

申請(qǐng)日（優(yōu)先權(quán)日）：20020103

發(fā)明名稱：自主式地面清潔機(jī)器人

技術(shù)方案：清潔機(jī)器人通過優(yōu)化清潔能力和其清洗機(jī)構(gòu)用于協(xié)同作業(yè)，提高清潔效率，同時(shí)最小化或減少功率需求，具體技術(shù)方案為：自動(dòng)地板清潔機(jī)器人的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括底盤，動(dòng)力子系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，障礙傳感器;障礙傳感器用于檢測(cè)障礙物，并將障礙物信息傳遞至控制模塊;機(jī)器人的刷組件，真空組件相互配合，底盤能用于自動(dòng)響應(yīng)于扭矩的變化，側(cè)刷感應(yīng)顆粒的方向，控制系統(tǒng)控制機(jī)器人的集塵裝置向顆粒方向扭轉(zhuǎn)。

專利重要性分析：該專利具有同族專利243，被引用數(shù)量為211次，目前處于有效狀態(tài)。該專利公開的家用清潔機(jī)器人能感應(yīng)周圍環(huán)境信息，并根據(jù)上述信息作出響應(yīng)，根據(jù)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障及自動(dòng)感應(yīng)顆粒方向，提升了清潔機(jī)器人的工作效率。

3.4 專利CN2008100602049

申請(qǐng)人：浙江大學(xué)

申請(qǐng)日：20080331

發(fā)明名稱：遙控式爬壁清潔機(jī)器人

技術(shù)方案：在清潔機(jī)器人主體板下設(shè)置一前一后兩吸盤，兩吸盤中的負(fù)壓分別由兩微型真空泵提供，在機(jī)器人的前后分別設(shè)置一對(duì)圓形清潔盤，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向功能由換向機(jī)構(gòu)、遙控電路和遙控器配合實(shí)現(xiàn)，通過遙控器控制換向機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)四個(gè)方位的移動(dòng)。機(jī)器人的越障檢測(cè)由四個(gè)接近開關(guān)和四個(gè)提起機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由于具備越障功能，能替代人從事惡劣作業(yè)環(huán)境下的壁面清洗作業(yè)，提高清洗速度，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

重要性分析：該專利具有同族專利7篇，21篇在后申請(qǐng)引證。該機(jī)器人通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高效完成清潔工作，能夠多方位的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人靈活的移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多角度的清掃，為清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)改進(jìn)重要專利。

4 結(jié)語(yǔ)

全球范圍內(nèi)，家用清潔機(jī)器人專利申請(qǐng)量自2011年以來呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，且主要申請(qǐng)人為美的、三星電子、iRobot公司。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)家用清潔機(jī)器人的需求逐漸增多，家用清潔機(jī)器人也越來越多的走進(jìn)我們的生活。在技術(shù)層面上，家用清潔機(jī)器人的技術(shù)體系脈絡(luò)比較清晰，對(duì)實(shí)現(xiàn)家用清潔機(jī)器人智能化、專業(yè)化、高效、低成本、集成化的方案設(shè)計(jì)已慢慢趨于成熟，但對(duì)于智能性提升、成本控制、清潔效果等方面的研發(fā)仍然是目前的研究重點(diǎn)[2];在市場(chǎng)層面上，隨著人們對(duì)使用體驗(yàn)的要求提高及生活節(jié)奏的加快，家用清潔機(jī)器人在家庭中也將逐步普及，市場(chǎng)蘊(yùn)含的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)推動(dòng)家用清潔機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展;在專利層面，隨著AI技術(shù)[3]、機(jī)器人算法、自主識(shí)別、路徑規(guī)劃、人機(jī)交互等技術(shù)的日趨成熟，專利申請(qǐng)從裝置、方法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面逐步向具體應(yīng)用、衍生技術(shù)等層面發(fā)展，在當(dāng)前的專利申請(qǐng)中，應(yīng)用、改進(jìn)類的家用清潔機(jī)器人已逐步成為家用清潔機(jī)器人的主要申請(qǐng)方向，這是相關(guān)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)家用清潔機(jī)器人市場(chǎng)的一個(gè)發(fā)力點(diǎn)，各企業(yè)在該方向上的競(jìng)爭(zhēng)，也推動(dòng)了家用清潔機(jī)器人技術(shù)更加快速地發(fā)展。

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