淺析家庭智能清潔機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢與現(xiàn)狀＊

袁茂鴻，郭衍哲，林培坤

（福州大學(xué)至誠學(xué)院，福建 福州 350002）

現(xiàn)如今，城市的生活節(jié)奏越來越快，人們的時間越來越碎片化，用于清潔家庭衛(wèi)生的時間更是擠不出來，而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，智能電器技術(shù)的發(fā)展愈來愈完善和便捷，家庭智能清潔機(jī)器人出現(xiàn)在人們的的視線范圍內(nèi)，很多家庭開始考慮甚至已經(jīng)購買了家庭智能清潔機(jī)器人。通過家庭智能清潔機(jī)器人，可以輕松快捷地處理繁重的家庭衛(wèi)生，不僅省時且省力。

1 家庭智能清潔機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢

1.1 市場分析

有需求就會有市場，人們對于家庭智能清潔機(jī)器人的需求已經(jīng)日漸增加，家庭智能清潔機(jī)器人作為一種自動化產(chǎn)品在家用市場上深受歡迎，家庭智能清潔機(jī)器人的智能化水平日漸提高，能夠在清掃家庭環(huán)境的時候科學(xué)地規(guī)劃清掃路徑和根據(jù)所面臨的垃圾選擇不同的清潔方式。在人工智能時代剛剛開始的時候，家庭智能清潔機(jī)器人的制作成本比較高，技術(shù)處于比較值錢的狀態(tài)，因此機(jī)器人成本較高，很少有家庭能夠達(dá)到使用智能清潔機(jī)器人的消費(fèi)水平。而現(xiàn)在隨著人工智能時代的到來，越來越多的公司能有時間和經(jīng)濟(jì)水平進(jìn)行研發(fā)家庭智能清潔機(jī)器人，因此技術(shù)競爭日益激烈，機(jī)器人的制作成本會有一個大幅度的下降，隨著成本降低，會有更多的家庭能夠消費(fèi)得起家庭智能清潔機(jī)器人，因此市場消費(fèi)比例就會有一個大幅度提升。

1.2 過去與現(xiàn)有技術(shù)的分析

過去家庭智能清潔機(jī)器人需要人工使用，開始使用時候需要人工打開機(jī)器人，清潔完成之后也需要人工去關(guān)閉機(jī)器人，這樣的家庭智能清潔機(jī)器人的智能技術(shù)水平較低。而隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益變得成熟，覆蓋的區(qū)域越來越廣，現(xiàn)如今人們可以將家庭智能清潔機(jī)器人和移動智能設(shè)備相連接，通過移動智能設(shè)備去控制家庭智能清潔機(jī)器人的開關(guān)，方便快捷。過去由于處理器對圖片的識別技術(shù)較低，而且攝像頭的設(shè)備成本也較高，因此很少使用視覺技術(shù)。現(xiàn)在隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展融合，家庭智能清潔機(jī)器人已經(jīng)開始采取視覺技術(shù)，可以通過視覺技術(shù)對地面上的垃圾進(jìn)行一個攝影，然后圖像處理后選擇合適的清潔方式，提高清潔的效率和質(zhì)量[1]。

在清潔智能機(jī)器人發(fā)展初期，對于清潔路徑的規(guī)劃、物體的避障還處于探索初期階段。從硬件方面就能看出，以掃地機(jī)器人為例子，初期的機(jī)器人避障使用的是物理碰撞傳感器，而路徑的規(guī)劃也未體現(xiàn)出來，對于跌落檢測也僅僅處于初期階段。

1.2.1 避障技術(shù)

機(jī)器人的避障技術(shù)作為驅(qū)動能力極為必要的一項(xiàng)功能，在研究過程中被視為重中之重。避障技術(shù)的實(shí)現(xiàn)最基本要做到對環(huán)境的感知，而對環(huán)境的感知往往通過傳感器來獲取周圍的環(huán)境信息，包括大小、位置以及材質(zhì)。通過傳感器收到的信息傳回“大腦”，并及時對當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行分析后，做出最優(yōu)解，反饋給驅(qū)動部分，達(dá)到避障的作用。目前常使用的傳感器有超聲波傳感器、紅外傳感器、深度相機(jī)、激光雷達(dá)、物理碰撞傳感器等[2]。在這些傳感器中，以激光雷達(dá)、深度相機(jī)為代表的傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是檢測距離遠(yuǎn)、對三維輪廓的識別精度高、對于復(fù)雜輪廓的物體有較好的識別能力；缺點(diǎn)是造價不低且安裝難度較高。而以超聲波傳感器、紅外傳感器為代表的傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉、實(shí)施簡單，在識別透明物體上有不錯的表現(xiàn)；缺點(diǎn)是識別距離近、精度低，難以做到對部分或整體環(huán)境的分析和識別。

從表現(xiàn)上來看，達(dá)到更好的避障技術(shù)應(yīng)是讓各傳感器合理地發(fā)揮他們的作用，進(jìn)行復(fù)合式的安裝，將各傳感器進(jìn)行融合，取長補(bǔ)短，達(dá)到有效避障。

1.2.2 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃作為運(yùn)動規(guī)劃中的一類，在國內(nèi)研究中有著較為深厚的基礎(chǔ)。就清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃來看，此類問題屬于連續(xù)域范圍內(nèi)的遍歷式路徑規(guī)劃，解決此類問題的常用算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、粒子群算法等[3]。當(dāng)清潔機(jī)器人工作時，處理從傳感器傳輸來的各種環(huán)境信息，計算并合理地規(guī)劃當(dāng)前最合理的清潔路徑。此時傳感器、系統(tǒng)處理器以及優(yōu)質(zhì)的算法對于機(jī)器人來說尤為重要，就傳感器來說，實(shí)時的掃描周圍的環(huán)境并及時反饋，這必須與激光雷達(dá)、深度相機(jī)等避障傳感器相結(jié)合，達(dá)到構(gòu)建周圍環(huán)境的三維輪廓模型的作用。處理器及時處理數(shù)據(jù)，并運(yùn)用適合的算法在構(gòu)建好的三維模型中計算最合理的路徑。

當(dāng)然，僅靠三維模型技術(shù)和遍布式路徑規(guī)劃算法相結(jié)合是不夠的，以后的發(fā)展中更應(yīng)做到將多種算法相結(jié)合，對路徑規(guī)劃算法進(jìn)行改進(jìn)。

2 家庭智能清潔機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

家庭智能清潔機(jī)器人目前最多的是掃地機(jī)器人和擦窗機(jī)器人兩種類型。家庭智能清潔機(jī)器人的最大目的就是憑借人工智能技術(shù)，代替人工勞動，對家庭環(huán)境，如地面、窗戶進(jìn)行自動地清潔和打掃[4]。

2.1 掃地機(jī)器人

掃地機(jī)器人顧名思義就是清潔地面衛(wèi)生所使用的家庭智能清潔機(jī)器人，現(xiàn)在的掃地機(jī)器人技術(shù)可以達(dá)到自動識別地面上是否有灰塵，通過圖像識別技術(shù)分析地面的垃圾環(huán)境應(yīng)該運(yùn)用哪種清潔技術(shù)，從而選擇最適合的清潔模式，可以保證掃地機(jī)器人達(dá)到清潔效率的最大化。有部分品牌機(jī)器人會具有對一些邊角縫隙清潔的單獨(dú)模式，能夠完美地對整體環(huán)境進(jìn)行清掃，也可以設(shè)置預(yù)約清潔的功能，

可以對機(jī)器人設(shè)定特定的工作時間。掃地機(jī)器人圖像識別過程如圖1 所示。

圖1 掃地機(jī)器人圖像識別過程

圖像技術(shù)更新和完善之后，各類傳感器運(yùn)營而生，上文中提到，避障技術(shù)和路徑規(guī)劃對于掃地機(jī)器人來說是必不可少的，高效的技術(shù)組合，讓機(jī)器人工作起來更加得心應(yīng)手。在機(jī)器人進(jìn)入一個陌生環(huán)境后，將會及時的掃描周圍環(huán)境，并建立對應(yīng)的三位環(huán)境模型，在確定周圍環(huán)境后便更換最適合的清潔模式。

歸根結(jié)底，掃地機(jī)器人最重要的就是其清潔能力，掃地、吸塵、集塵、拖地等便是衡量機(jī)器人清潔能力的體現(xiàn)。就掃地功能來說，多采用刷掃、真空、靜電吸附等形式，將各種垃圾及時地吸入機(jī)器內(nèi)部的集塵盒中，方便集中處理[5]。就拖地功能來說，拖地抹布的選材和水泵的給水，都對拖地功能的能力體現(xiàn)至關(guān)重要。

2.2 擦窗機(jī)器人

地球上的土地是有限的，而人口卻在不斷增加，近二十年來，國內(nèi)高樓不斷增加，對于高層居住的人們來說，清潔窗戶玻璃是不太安全的一件事，而擦窗機(jī)器人能夠代替人們對窗戶進(jìn)行清潔，從而規(guī)避高層清理窗戶的危險，并且可以大面積地進(jìn)行清理。擦窗機(jī)器人在機(jī)器人底部裝有抹布，其設(shè)計能夠?qū)C(jī)器人完全的貼服在玻璃的表面上，機(jī)器人在窗戶上移動的時候會帶動底部的抹布去進(jìn)行擦拭玻璃，并且在開啟機(jī)器人之后，圖像識別技術(shù)會啟動智能感應(yīng)，通過圖像技術(shù)傳達(dá)回中央處理器后能夠識別到窗戶的大小，規(guī)劃特定的路線，對于一些角落里的臟處也能擦到，并且清潔速度也很快。擦窗機(jī)器人一般會比較小巧，這樣才能夠靈活行走，以及對速度有一個較好的掌控[6]。

對于玻璃表面的材質(zhì)、弧度、角度也會有一個較好的掌控，通過LDS 激光規(guī)劃、陀螺儀規(guī)劃技術(shù)來進(jìn)行掃描周圍環(huán)境以及建立三維環(huán)境模型，從而通過中央處理器取決于是否在擦拭過程中產(chǎn)生危險。

在一次次的技術(shù)革新中，更是演變出了無線擦窗機(jī)器人，在擺脫了線的約束下，工作起來更加得心應(yīng)手。支撐起此項(xiàng)技術(shù)的背后必須有以下幾個條件：①續(xù)航能力。只有在電池的容量增大后，才能滿足更高強(qiáng)度的清潔任務(wù)。②加強(qiáng)離心式風(fēng)機(jī)的綜合性能。只有這樣才能預(yù)防掉落的危險發(fā)生，增強(qiáng)工作效率，減少電源的消耗。③更好的安全系統(tǒng)。一是防止高空墜落，二是預(yù)防機(jī)器的掉落，造成財產(chǎn)的損失。在電量較少的情況下，將會預(yù)留一部分的電量用于讓機(jī)器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，牢牢地吸附在所擦拭的物體表面，防止掉落，確保機(jī)器和周圍環(huán)境的安全。

3 總結(jié)

進(jìn)入了人工智能時代之后，智能技術(shù)在未來基本上能夠覆蓋人們生活的所有范圍和層面，同時也會為人們的生活帶來很多的便利，由于清潔和打掃是人們生活每天都必須面對的，因此家庭智能清潔機(jī)器人是在家庭中最受歡迎的機(jī)器人。未來，家庭智能清潔機(jī)器人的智能技術(shù)發(fā)展還會更上一層樓，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和家庭智能方面都會有新的發(fā)展，技術(shù)會變得更加成熟。