目前，掃地機器人儼然成為了服務機器人領域的“香餑餑”。今年的雙十一，掃地機器人各大品牌賺得不亦樂乎?？删驮谶@個風光的“搖錢樹”背后，到底隱藏了多少技術？未來，它又將何去何從？從本文一窺便知。
經過長期的發(fā)展，工業(yè)機器人在技術上已較為成熟，但服務機器人近年才獲得廣大科研人員和企業(yè)重視，并逐步進入普通百姓家庭，其發(fā)展歷史較短。目前，學術界對服務機器人沒有嚴格意義上的定義。國際機器人聯合會（IFR）給出的服務機器人概要定義為：服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務工作。
服務機器人應用范圍極為廣泛，如教育、娛樂、特種（安防、軍用）、導購、迎賓、醫(yī)療、金融、物流、電子商務、商務秘書等。其中，家庭清潔機器人是現階段銷售數量最多、應用范圍最廣的一類服務機器人。家庭清潔機器人種類繁多，主要包括掃地機器人，拖地機器人、窗戶清潔機器人、空氣凈化機器人、吸塵機器人等。掃地機器人則是家庭清潔機器人的最主要成員，市場占比達到96%以上。
服務機器人的需求量已超過工業(yè)機器人，表現出更為強勁的市場需求，提供了更為廣闊的市場想象空間。
服務機器人能夠滿足人們日常生活中的一些實際需求，并且大多數市場定價在幾百元至幾千元的范圍內，近幾年其市場規(guī)模實現了爆炸式增長。根據IFR統(tǒng)計數據顯示，2014年全球服務機器人銷量達到330萬臺，銷售額約為12億美元，同比增長24%。預計2015年至2018年期間，服務機器人銷量將會大幅增長，累計銷量可達2590萬臺，銷售額預計可累計達到122億美元。同時，根據我國相關研究單位的預測，中國服務機器人市場規(guī)模，有望在2017年突破200億元。
掃地機器人發(fā)展現狀隨著科學技術的進步和社會發(fā)展，特別是受生活節(jié)奏的加快和工作壓力的增大影響，人們希望更多地從繁瑣的家庭日常清潔事務中解脫出來。這無疑是清潔機器人進入家庭的市場訴求。
掃地機器人作為清潔機器人的一種，其針對的目標用戶是所有家庭，其需求痛點恰恰是為了使人們從日常地板清潔工作中解放出來，它迎合了市場痛點的需求。最早的掃地機器人來源于伊萊克斯、戴森等領銜的吸塵器行業(yè)。
2002年伊萊克斯在原有高質量吸塵器的基礎上，開發(fā)了“三葉蟲”掃地機器人——全世界第一款全自動掃地機器人。隨后iRobot公司先后生產了7代家務機器人Roomba，成為了這一領域的代表產品系列。
2010年左右，國內的掃地機器人品牌紛紛涌現，并逐步實現產業(yè)化。目前，國內市場已擁有幾十家掃地機器人品牌，如科沃斯、iRobot、?，斕?、地貝、Xrobot、海爾、美的、Prosenic、飛利浦和三星等。但是，本土成立且具備核心研發(fā)能力的掃地機器人企業(yè)占比并不高。
近幾年，掃地機器人正在以驚人的速度普及，市場發(fā)展十分迅猛。前期發(fā)展階段，掃地機器人主要以改進掃地效能為主。現階段，掃地機器人在保證提供較優(yōu)良的清潔效果后，勢必轉向多傳感器融合、導航、路徑規(guī)劃等智能化核心技術的發(fā)展方向上。
掃地機器人關鍵技術用戶直觀可見的掃地機器人基本功能為清掃、吸塵、拖地等，因此相關企業(yè)在清掃毛刷的材料、結構形式、旋轉速度/方式，以及吸塵原理、吸塵機構形式、拖布材料、拖布布置方式、供水量、供水方式等基本功能原理和技術方面不斷優(yōu)化。同時，為了實現更好的清潔效果、更良好的用戶體驗，掃地機器人在人工智能相關領域涉及到如下幾項關鍵技術。
多傳感器信息融合技術多傳感器信息融合是指綜合來自多個傳感器的感知數據，以便產生更可靠、更準確或更全面的機器人狀態(tài)信息，如在掃地機器人中融合激光雷達、超聲傳感器、紅外傳感器、里程計的信息等。多傳感器信息融合處理的基本原理類似于人類大腦處理信息的過程，能夠通過對多種傳感器反饋信息的合理分析與使用，得以降低各種單一傳感器在空間和時間局限性方面的影響，并且通過冗余信息的解析，更加完善和更加精確地反映出檢測對象的特性，消除信息的不確定性，得到對觀測環(huán)境具備較高可行性的一致性結果。
室內導航和定位技術掃地機器人需要自主移動，無論是局部實時避障，還是全局規(guī)劃，都需要較精確地確定機器人或障礙物的當前狀態(tài)及位置，以完成導航、避障及路徑規(guī)劃等任務。一般地，機器人通過航位推算方法、信標定位方法以及混合定位方法，實現室內移動機器人的導航和定位。
航位推算方法是最為常用的一種方法，通過機器人自身的里程計、陀螺儀、加速度計等內部傳感器，實時解算機器人自身的速度、姿態(tài)信息。以出發(fā)點為絕對零點，則可以漸進累加地推算出機器人當前所在的位置和姿態(tài)。此種方法隨著工作時間的增加，積分運算誤差和定時系統(tǒng)時差引起的誤差將會逐漸累積，因此不適于長時間的精確定位。
掃地機器人在室內地板上的運動可視為在二維平面內的運動，如果室內允許布置信標（如充電樁或其他滿足信標條件的標志物），則可以通過傳感器，檢測機器人與信標之間的相對距離與位姿，實現掃地機器人的室內導航與定位。信標定位的優(yōu)點是可實現實時檢測，沒有累積誤差，精度穩(wěn)定性好，且可通過多信標冗余覆蓋的方式，彼此互為位置校準或當某個信標故障時，機器人仍可成功定位。
混合定位方法融合了航位推算方法與信標定位方法各自的優(yōu)勢。
路徑規(guī)劃算法掃地機器人在工作過程中，需要盡量做到清掃面積全覆蓋且行走路徑不重疊，這就需要依據某個或某些優(yōu)化準則進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，在其工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)，可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。
根據對環(huán)境信息的把握程度，我們可以把路徑規(guī)劃分為，基于已知地圖的全局路徑規(guī)劃和基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃。其中，以獲取障礙物信息是靜態(tài)還是動態(tài)的角度看，全局路徑規(guī)劃屬于靜態(tài)規(guī)劃（離線規(guī)劃），局部路徑規(guī)劃屬于動態(tài)規(guī)劃（在線規(guī)劃）。
全局路徑規(guī)劃需要建立工作空間的詳細地圖，根據地圖包含的環(huán)境信息進行路徑規(guī)劃；局部路徑規(guī)劃則根據傳感器實時采集的周邊環(huán)境信息，確定所在地圖的位置及其局部的障礙物分布情況，從而可以選出從當前結點到鄰近子目標結點的最優(yōu)路徑。
常用路徑規(guī)劃算法主要有人工勢場法、Dijkstra算法、Floyed算法、SPFA算法（Bellman_Ford改進算法）、A*算法、D*算法、DWA算法、圖論最短算法、遺傳算法、元胞自動機算法、免疫算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法、人工神經網絡算法、蟻群算法、粒子群算法等。
掃地機器人技術發(fā)展趨勢 高性價比、高性能傳感器的融合應用目前，掃地機器人多采用紅外傳感器、接觸式傳感器、超聲波傳感器等，少部分高端機型使用了線掃描激光雷達傳感器。對于智能化的掃地機器人室內定位和復雜路徑規(guī)劃的需求而言，傳感器提供的信息尚顯不足。
將來，視覺傳感器（深度攝像頭、仿生視覺、結構光傳感器）、低成本高性能激光雷達傳感器、軟體防碰撞接觸式傳感器等高性能、新型傳感器的應用，將給掃地機器人決策提供更豐富的參考信息。同時，在算法層面，需要深挖多傳感器信息融合處理算法，在紛繁復雜的傳感器反饋信息中，提取有效信息，并根據優(yōu)化策略規(guī)則制定決策。
家用功能的模塊化集成，實現智能掃地機器人多任務功能在實現掃地機器人基本的掃地、吸塵、拖地等功能的基礎上，模塊化集成，如空氣凈化、加濕、溝通交流、室內玩具、兒童寫字板等功能模塊，實現智能化掃地機器人的一專多用。掃地機器人本體可以平臺化，即實現室內智能移動平臺的功能，具備基本的避障、路徑規(guī)劃、軟硬件交互接口等功能，而其他功能均以模塊化的形式進行加載，給用戶更多的自主選擇余地，實現細分市場的拓展。
智能程度提升、智能算法拓展應用借助語音識別技術和圖像處理技術的逐步發(fā)展，如聲源定位和聲紋識別技術研究的深入、人臉識別技術的成熟、物品識別技術性能的提高，我們可更有效地提高掃地機器人對家庭環(huán)境的融入程度，提升掃地機器人與家庭成員的智能交互能力。
同時，我們應研究并設計各種智能人機接口，如多語種語音、自然語言理解、圖像、手寫字識別等，以更好地適應不同用戶和不同的應用任務，提高人與機器人交互的和諧性，實現人機交互的簡單化、多樣化、智能化、人性化。
智能掃地機器人作為現階段銷量最大的家用服務機器人，未來將能夠對語言進行自我學習，并在社會化環(huán)境中向他人學習，把這種語言能力轉化為自主學習和處理問題的能力。未來，機器人將掌握更多的自主性能力，實現智能掃地機器人功能定位的本質性革新與發(fā)展。
掃地機器人網絡節(jié)點化目前，部分智能掃地機器人已通過網絡連接實現了遠程控制功能，一些掃地機器人還安裝了監(jiān)控攝像頭，實現了遠程安防監(jiān)控的功能。掃地機器人體積小、可移動等特點成為其作為網絡終端節(jié)點的獨特優(yōu)勢，可延展遠程安防、智能家居、視頻/語音通訊終端、健康助理、陪伴聊天等多種網絡節(jié)點化功能。
前景看好掃地機器人市場處在不斷發(fā)展壯大的時期。為不斷提升用戶體驗和擬合實際功能的需求，掃地機器人會不斷進化和提升，將在融合型傳感系統(tǒng)、功能定位、智能化程度、網絡服務，以及多機協(xié)作和自我學習等方面不斷發(fā)展，實現掃地機器人真正意義的智能化，使掃地機器人發(fā)展成為人們的家用高科技伙伴。
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