智能掃地機器人發(fā)展歷程及未來趨勢

張悅湘

(湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128)

0 引言

從20世紀90年代末到21世紀初，由于計算機技術的飛速發(fā)展[1]，各種新型的設備不斷涌現(xiàn)，將中央處理器與各部件進行結(jié)合成為主流趨勢，智能掃地機器人也隨之興起。日韓、歐洲、美國等發(fā)達國家和地區(qū)率先發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的潛在市場，產(chǎn)品研發(fā)已取得不少進展。智能掃地機器人目前已經(jīng)成為現(xiàn)代智能化家居中的重要組成部分。

1 智能掃地機器人發(fā)展歷程

世界上第一款量產(chǎn)的智能掃地機器人家由電巨頭萊克斯[2]于2001年推出，并將其命名為“三葉蟲”(圖1)，設計者希望這款產(chǎn)品能如世界最古老的節(jié)肢動物一樣爬過世界的每一寸土地。

圖1 三葉蟲智能掃地機器人[3]

三葉蟲智能掃地機器人以單片機為核心，塑料材質(zhì)的圓形外觀。機器人利用底部的車輪實現(xiàn)行走，采用真空泵與滾筒刷相結(jié)合的方式進行掃地作業(yè)。為實現(xiàn)機器人的自主避障功能，機身配備有反射式超聲波傳感器。同時當內(nèi)置電池電量不足或清潔任務完成時，機器人會自動返回充電樁。為防止機器人在使用期間跌落樓梯或駛出清潔區(qū)域，清掃的房間設有磁條，以此來限制機器人的活動范圍。

美國機器人專家IRobot公司[4]自2002至今一直致力于Roomba系列掃地機器人的研發(fā)。該系列發(fā)展至今，除了節(jié)能、尺寸、外觀和噪音等方面取得了顯著優(yōu)化外，最大的技術革新是機器人處理器中嵌入的“優(yōu)化算法”。得益于“優(yōu)化算法”的Roomba700系列相較于早期的Roomba500系列能夠?qū)崿F(xiàn)更智能的清掃軌跡。Roomba700在整個清掃區(qū)域中以一個遞增的弧形[5]軌跡所移動，當識別到障礙物后，改變圓弧的方向，繼續(xù)以遞增弧形所移動。

韓國的Ottoro[7]視覺機器人(圖2)，配備了多個超聲波探測器和2個攝像頭。安裝在充電樁上的激光投影[8]將導航圖投射至天花板上，機器人依照導航圖確定自身位置。機器人會根據(jù)探測器所收集到的信息進行自動避障。除此之外，Ottoro裝配了一個強大的真空吸塵器以完成房間的清掃。Ottoro的清潔效率是同時期Roomba系列的2倍。這項產(chǎn)品在硬件、軟件上都有極高的要求，以至于一臺Ottoro的價格是Roomba的10倍。

圖2 Ottoro掃地機器人

世界上第一個采用智能激光制導系統(tǒng)的智能掃地機器人由美國的Neato[9]公司所研發(fā)。機器人利用其頂部的激光雷達掃描房間，將房間布局轉(zhuǎn)換成三維數(shù)字地圖。并在此基礎上采用“S”形路徑規(guī)劃[10]方式進行作業(yè)，單次清掃的覆蓋率達到90%以上，即使在難以到達的角落區(qū)域，其獨特的“D”形吸塵頭也能進行高效清掃。

國內(nèi)在智能掃地機器人領域的起步較晚，但近年也取得了顯著的研究進展。蘇州益節(jié)科技的地貝、蘇州怡凱電器旗下的科沃斯、深圳智寶科技等已經(jīng)達到與Roomba水品相近的程度[11]，其產(chǎn)品線包含了超聲波式、非接觸式、磁鐵、遙控器、阻擋器、紅外式等關鍵技術。

2 關鍵技術分析

智能掃地機器人是一種具有先進定位技術和GPS導航技術的無線機器人。它可以通過遙控或自動控制面板來操控。充電后，自動完成清洗。通過紅外傳感器、光電傳感器、距離傳感器完成自動避障。采用PWM[12]技術結(jié)合編碼器動態(tài)控制電機的旋轉(zhuǎn)方向和速度。采用單片機編程技術實現(xiàn)機器人的移動、掃地、繞障、精確停機控制及檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示(圖3)。掃地機器人的感知系統(tǒng)是傳感器系統(tǒng)，負責收集自身信息和環(huán)境信息?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)進行反饋，實現(xiàn)智能操作[13]。驅(qū)動系統(tǒng)采用直流電動機，通過脈寬調(diào)制控制電機電樞電壓。一些單片機系統(tǒng)還需要在斷電的時刻能夠保存重要的數(shù)據(jù)，因此還配備有看門狗電路組成的復位系統(tǒng)[14]。利用功率傳感器及紅外傳感器了實現(xiàn)掃地機器人自動充電功能。目前支撐掃地機器人的關鍵技術有4項，分別是傳感器技術、室內(nèi)定位技術、路徑規(guī)劃技術和掃地技術。

圖3 智能掃地機器人功能簡圖

2.1 傳感器技術

自主完成掃地任務是該機器人的主要功能。在室內(nèi)環(huán)境中，機器人需要避開障礙物，檢測污染物，以及根據(jù)自身位置建立環(huán)境模型[15]，甚至有的還需要檢測環(huán)境溫度和PM2.5的含量。機器人需要將防跌落傳感器、重量傳感器和自身定位傳感器等多項傳感器進行集成。紅外傳感器與超聲傳感器是掃地機器人上使用最多的傳感技術[16]。紅外傳感器的特點是測量精度高、方向性強，主要缺點是較難識別微小障礙物、深色的物體或透明物體。超聲傳感器與光學傳感器相比具有環(huán)境適應性強的優(yōu)點，能夠測量真實距離，并獲得聲波方向上的三維數(shù)據(jù)。但聲波傳感器存在識別范圍小，會受環(huán)境噪音污染等問題。在實際應用中，通常將超聲傳感器與紅外傳感器搭配使用。目前，傳感器除了精度上有了明顯改善外，也正朝著多樣化、微型化的趨勢發(fā)展。

2.2 室內(nèi)定位技術

室內(nèi)定位技術一般可根據(jù)環(huán)境感知傳感器和本體感知傳感器分為2大類?；诃h(huán)境感知傳感器的定位是指利用導航信標、主動或被動標志或衛(wèi)星導航[17]進行定位，一般用于信標或GPS信號覆蓋的戶外區(qū)域。另一種根據(jù)本體傳感器的定位是基于初始位置與目前位置的相對距離和方向來確定目前位置的定位坐標，這種方法也被稱為航跡推算法[18]。近年來興起的一種新型定位技術手段是視覺定位，它依靠攝像頭拍攝圖像，并根據(jù)圖像中的環(huán)境特征進行定位，圖像能提供的環(huán)境信息是極為豐富的。

2.3 路徑規(guī)劃技術

路徑規(guī)劃是掃地機器人最重要的技術環(huán)節(jié)之一，該技術的主要功能是根據(jù)算法對路徑進行規(guī)劃，實現(xiàn)掃地區(qū)域路徑的科學化梳理。目前路徑規(guī)劃主要依賴的工具是視覺系統(tǒng)以及視覺信號處理軟件[19]。視覺系統(tǒng)主要是為了監(jiān)測和觀察周圍的環(huán)境以及物體位置的確定，在路徑規(guī)劃的計算中，算法軟件會自動規(guī)避障礙物所在位置的路徑，尋找掃地路徑最為優(yōu)化的路線。在缺乏環(huán)境建模的情況下，機器人往往采用隨機移動的方式，當識別到障礙物時更改行進方向，通過大量的隨機行進以增加覆蓋面積。第二種情況是基于環(huán)境地圖，使用“S”形方法進行反復掃描。采用“S”型路徑規(guī)劃的清潔面積達到90%以上。

圖4 1.隨機規(guī)劃；2.s型規(guī)劃

路徑規(guī)劃的算法有許多種，應用最為廣泛的算法有：Dijkstra算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法、柵格法等。柵格法是機器人領域使用最廣泛的一個算法，其主要的工作原理就是將掃地機器人的工作場景劃分為大小相等的正方形方塊表示，方塊的面積越小所能創(chuàng)建的環(huán)境地圖就越清晰和精確，這也是掃地機器人路徑規(guī)劃先進與否的重要標志。方塊的面積越小就代表每個方格所儲存的清晰度越高，但這會造成儲存的數(shù)據(jù)過大，在實際應用中會需要更長的規(guī)劃時間。如果方塊的面積太大，那每個方塊存儲的信息就會越多，清晰度也就會越低，存儲的數(shù)據(jù)量降低，路徑規(guī)劃所需要的清晰度就不能滿足。對于掃地機器人來說，選擇合適的單元格大小至關重要。

2.4 掃地功能

機器人底部一般配備3個掃地刷，與滾筒刷一同作業(yè)[20]使用。真空吸塵是常用的作業(yè)方式，通過高速旋轉(zhuǎn)的扇葉形成氣流，氣流經(jīng)過細小網(wǎng)口的濾網(wǎng)[21]，細小灰塵將附著在過濾網(wǎng)上，顆粒較大的污染物則會掉入存儲盒內(nèi)。為保障氣流的順利流通，需要經(jīng)常清理吸塵裝置的過濾網(wǎng)和存儲盒。英國的戴森[22]公司利用其所開發(fā)的多圓錐氣旋技術很好地解決了這個問題。多圓錐氣旋技術是通過旋轉(zhuǎn)的氣流將粉塵和大顆粒污染物卷起，大顆粒由于自身重量被甩入收納盒內(nèi)，粉塵則進入更小的氣旋內(nèi)。該技術很好地解決了需要頻繁更換收納盒和過濾網(wǎng)的問題，同時也保證了清潔效果。

3 現(xiàn)有問題及改進措施

(1)目前掃地機器人普遍使用鎳氫電池，充電時間長，使用壽命短。如Irobot系列的掃地機器人當作業(yè)于大面積環(huán)境清掃時，雖然可以自動充電，但需要充電3h才能滿足2h作業(yè)的需求，極長的充電時間使其使用非常有限，且該機器人所使用的電池壽命只能維持2年左右。

增大電池容量是最直接延長續(xù)航的手段，但大容量的電池往往會占據(jù)更大的空間，使得空間本就局限的掃地機器人無法滿足實際需求。因此開發(fā)新型材料電池是提高掃地機器人續(xù)航能力的關鍵，除此之外更小巧的電池體積可以減小機器人整體體積及重量，更能滿足日常使用的需要。

(2)機器人作業(yè)時的避障分為完全避障和緩沖避障。如果使用超聲波仿生技術則可以實現(xiàn)完全避障，但是該技術成本非常高，所以應用并不廣泛，而紅外傳感技術是絕大部分掃地機器人所應用的技術，當碰到圓柱形或者不規(guī)則物體時，由于紅外傳感器對這類物體無法有效識別，會與障礙物表面發(fā)生接觸，最終會對障礙物以及機器人表面造成一定損傷。

為降低機器人在作業(yè)過程中發(fā)生的碰撞所帶來的損傷，可以選擇優(yōu)化傳感器性能，或?qū)⒏咝阅軅鞲衅鳟a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，以降低高性能傳感器的使用價格。除此之外可以利用半包裹的軟橡膠外殼或軟沖擊式防撞板，以物理式的緩沖減小損傷。

(3)智能掃地機器人吸塵口徑偏小且配備有螺旋狀滾筒刷，對于細小灰塵等能有較強的清潔效果，但是大顆粒污染物便無法處理，影響整體清潔度。

機器人吸塵口徑小，齒輪密度大，導致大顆粒物體不能被有效清理?？梢钥紤]將機器人底部配備一個大口徑吸塵口，當遇到大顆粒污染物時，可以直接通過大吸塵口進入儲存盒，而不經(jīng)過螺旋刷。

4 結(jié)語

雖然掃地機器人的部分關鍵技術還有待完善，但隨著傳感器微型化、集成化以及軟件算法的不斷優(yōu)化，掃地機器人將會得到長足的發(fā)展。人們對于掃地機器人的認識不斷加深，也將進一步擴大該產(chǎn)品的市場需求。