扫地机器人

扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，是智能家居电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。一般来说，将完成清扫、吸尘、擦地工作的机器人，也统一归为扫地机器人。

1、起源

扫地机器人最早来源于伊莱克斯、戴森等领衔的吸尘器行业。2002年伊莱克斯在原有高质量吸尘器的基础上，开发了“三叶虫”——全世界第一款全自动扫地机器人。随后iRobot公司先后生产了7代家务机器人Roomba，成为了这一领域的代表产品。

2、国内兴起

扫地机器人在国内兴起的时间，大概是2010年左右。从某搜索指数显示，2010年后，关于扫地机器人的搜索关注度呈现一路上升的趋势。这与国内扫地机器人产业化相关，国内扫地机器人先驱开始涉足这块业务也主要是在2010年前后。随后随着市场需求培育和产品不断更新迭代，扫地机器人在终端的关注度逐渐升温。

3、目标用户

扫地机器人针对的目标用户是所有家庭（考虑家庭地面结构，主要是城镇家庭），产品的需求痛点是为了解放繁忙的现代人，解放双手。用更智能化的机器代替人。

扫地机器人进入终端用户后，产品属性转换为大众消费品，其目标用户具有两个明显的特质：

（1）具备一定经济偿付能力。市场扫地机器人均价大约在1000-1500元区间范围内，而市场上普通的吸尘器的价格大约在200-400元左右，对于普通家庭用户来讲，目前的扫地机器人在智能化的溢价方面仍然较高，所以，我们从淘宝指数平台的数据可以看出，目前国内扫地机器人用户占比中，广东、浙江、江苏、山东、上海等东部沿海发达地区的人均占比最高，上海、北京、深圳、广州、杭州等一线城市人群占比较高；

（2）用户普遍偏年轻化。都市繁忙的生活节奏，让最简单的扫地成为生活累赘，扫地机器人的需求痛点在于解放繁忙的年轻都市人群，用智能化的方式解放双手，追求更高品质的生活质量。

4、基本构造

扫地机器人的基本构造主要由主机和零部件构成。

主机相当于人类的躯干，这里面具体包括了处理器、面盖和机身、驱动轮和导向轮等部件。在日常的使用过程中，这些零部件起到了重要的作用，控制着扫地机器人的一些功能和行走方向，其中最为重要的就是处理器，它的好坏，将直接影响到扫地机器人的一些功能选择。在零部件的划分上，主要包含了边刷、吸口、滚刷、抹布等。在具体的使用过程中，用户可以根据自己的家庭环境对各个部件进行仔细地选择。

5、整体构造

扫地机器人主要由以下几部分组成

本体：不同的厂商品牌设计，外型会有所不同。

充电电池：一般以镍氢电池为主，部分用锂电池，但用锂电池通常产品单价较高。每间厂商的电池充电时间与使用时间也有所差别。

充电座：能提供机器人吸尘器自行回家充电的地方。

集尘盒：与一般吸尘器纸袋方式不同，都备有集尘盒可收集灰尘。大致上分为两种:1.*集尘盒2.置于后端集尘盒。

遥控器：控制机器人吸尘器用，也可由机身上控制。

6、内部架构

从内部架构来看，扫地机器人可以大致分成7个模块，分别是本体、运动部件、清扫部件、主板电路芯片、液晶触控电路、感应部件、能量部件。其中本体、清扫等部件主要是机械化部件，运动部件、触控电路、主板芯片和感应部件属于智能化模块。

虽然构造上并不复杂，但是，通常扫地机器人的体积较小，集成的零部件较多。而且在机械化装配的基础上，还要实现智能化，因此，技术壁垒仍然存在。但是技术壁垒的高低主要是由智能化模块决定，机械化模块进入壁垒较低。

7、分类

清洁系统分类

第一种：单吸口式

单吸入式的清洁方式对地面的浮灰有用，但对桌子下面久积的灰及静电吸附的灰尘清洁效果不理想。(设计相对简单只有一个吸入口)

第二种：中刷对夹式

它对大的颗粒物及地毯清洁效果较好，但对地面微尘处理稍差，较适欧洲全地毯的家居环境。对亚洲市场的大理石头地板及木地板微尘清理较差.(清扫方式主面通过一个胶刷，一个毛刷相对旋转夹起垃圾)

第三种：升降V刷清扫系统

以*机型为代表，它采用升降V刷浮动清洁，可以更好的将扫刷系统贴合地面环境，相对来说对面静电吸附灰尘清洁更加到位。(整个的V刷系统可以自动升降，并在三角区域形成真空负压)

8、工作原理

扫地机器人机身为自动化技术的可移动装置，与有集尘盒的真空吸尘装置，配合机身设定控制路径，在室内反复行走，如:沿边清扫、集中清扫、随机清扫、直线清扫等路径打扫，并辅以边刷、*主刷旋转、抹布等方式，加强打扫效果，以完成拟人化居家清洁效果。

9、核心技术

家务机器人区别于传统的吸尘器、洗衣机等家电的地方就在于它能够最大化的实现脱离人工控制，而它的实现是靠家务机器人的核心技术——寻路导航系统以及更加强大的清洁系统。目前的家务机器人市场最主要的产品还是扫地机器人，擦地机器人以及窗户清洁机器人。对于这些智能机器人来说，最重要的就是寻路导航系统的构建，它也是智能机器人被冠以“智能”的原因。寻路导航系统最主要的是定位技术与路径规划方式。

智能化模块中的两项关键技术：

（1）路径巡航系统，这是决定扫地机器人智能化程度最重要的指标；

（2）清洁系统，清洁系统是机械化模块中重要的技术，决定了扫地机器人清扫的效率高低。

导航寻路系统：“智能化”之本

目前扫地机器人的寻路导航系统基本分为两类：随机碰撞式和路径规划式。

（一）随机碰撞式导航方式

随机碰撞式导航系统以iRobot-Roomba3-8系列为代表。所谓随机碰撞，就是扫地机器人产品在机身前部设计有缓冲碰撞板，碰撞板内置缓冲弹簧，可在一定范围内前后位移，在运行中碰到障碍物时，能迅速后退并转向，从而以新的行进路径进行打扫。所以说扫地机器人就是通过自身跟环境的不断触碰及设定的算法逻辑来摸索自己的行动路线，其核心在于程序算法和精密的感应系统。这类机器上搭配了各类传感器，例如悬崖传感器、防撞缓冲窗口，红外探头，超声波侦探器等等。传感器的主要作用是感知扫地机器人前方的障碍物，实现提前减缓机身行进速度，从而降低碰撞力度以达到保护机体和被撞障碍物不受损坏。如何处理传感器所收集的数据信息并通过算法进行合理反应便成为了品牌的核心竞争力。

随机碰撞式，按照对外部环境的感知方式，可以分为红外探测和仿生超声波探测。

iAdapt人工智能专利系统是红外探测的典范。它是由一个软件和多个传感器组成的专利系统。软件是iRobot自主研发的军用机器人的软件，而传感器包括红外探测器，粉尘感应器，液滴传感器等，通过红外感应的方式实现对于清扫目标和路线障碍的定位。iAdapt以每秒60次的速度计算周边环境，并根据计算结果采取不同的清扫方式，对地面环境的灵敏感知力使Rommba能适应复杂、多变的家具环境，根据每一个家庭的户型、家居摆设、地面环境作出最合理的清洁决定，并对每一处地面实现3遍以上的清扫，高效实现最大化覆盖清洁区域。

（二）仿生超声波障碍感应系统

国际上另一个主要品牌Proscenic的扫地机器人在过去的系列产品中采用的也是随机碰撞式的寻路导航系统。不同于iRobot的红外感应，Proscenic的感应技术采用了仿生超声波障碍感应器。相比于红外感应，超声波感应技术的优点是对透明类障碍物识别率高，而且任意颜色障碍物都可以正确识别并进行规避，同时在全黑环境下也能正常工作。但同时，由于超声波的穿透能力相对来说比较弱，所以经常会对窗帘、床单这一类的可穿越障碍产生错误的判断。

国内品牌大多是依然采用随机碰撞式。国内以科沃斯为首的大多数家务机器人品牌在扫地机器人和擦地机器人上运用的基本都是随机碰撞式的导航系统。比如科沃斯的扫地机器人，采用红外传感结合公司独创的以布尔运动模型研发出来的随机碰撞导航程序算法。也能达到一定程度的清洁覆盖率，满足用户的基本需求。

（1）室内GPS技术

GPS定位技术被广泛运用到了目前高端的擦地机器人中，包括iRobot的Braava系列以及普桑尼克的Pro-JOJO系列。对于擦地机器人，其工作形式都是仿照人拖地的形式，多次的重复覆盖清洁可能会产生负效用，只需要有清晰路线的一次覆盖，而GPS室内定位技术就能实现这一点。

iRobot的Northstar导航定位系统是EvolutionRobotics公司拥有的专利技术，之前被运用于Mint擦地机器人。2012年iRobot将ER以7400万美金（约合人民币4.6亿元）的价格收购，将这项技术运用到了自己的擦地机器人Braava系列中。工作过程中，模仿室内GPS系统，NorthStar导航盒会向天花板投射红外线点，而机器人通过前端的NorthStar传感器探测这些小点，帮助其感知自己的位置，同时绘制出室内映射图。由于还不具备识别物体的“眼睛”，擦地机器人还需要通过几次随机碰撞确定清扫环境中障碍物的位置，添加到自己的地图中。这样NorthStar技术就可以帮助擦地机器人追踪走过的轨迹和有待清洁的地方。

Proscenic的Pro-JOJO运用的三点式GPS导航定位系统原理与NorthStar类似，配合内置ARM+陀螺仪，能够让机器准确定位自身所在位置和起始位置，全面覆盖家居环境，清洁覆盖率高达99.9%，彻底避免重扫漏扫的传统弊病。

（2）激光导航技术

激光导航系统一直是国际上另一大扫地机器人品牌Neato的专利技术，Neato的扫地机器人一直以来都运用这种路径规划式的导航系统。Neato运用的技术叫做RPS激光测距系统。在扫地机机器人的顶端设置有一个可旋转的激光发射头和配套接收器，通过发射激光扫描自身到边界每个点的距离，每秒能够对周围环境进行五次扫描，从而生成房间内部3D全景数字地图，还能根据屋内家具位置的变化实时进行更新。

这项技术同样是Google无人汽车的导航技术。同时，Neato运用独特的uMemory坐标记忆算法，在清扫过程中，自动将周围物品的坐标数据储存在内存芯片中。这样Neato能够做到直线清扫，不重复工作。目前包括LG公司在内的一些国外扫地机器人品牌也运用类似的激光导航技术。

在国内领域，科沃斯今年新推出的地宝9系列增添了军用激光导航系统，开始尝试路径规划式的寻路导航技术。成为了国内家务机器人企业的先行者。而其他新兴品牌包括Xrobot等也开始利用激光技术构建自己的路径规划系统。

激光形式或GPS的路径规划式导航系统的确实现了更高的清洁效率，大大缩短了清洁时间，同时也达到了更高的清洁覆盖率。但从实际运用中也会发现，在角落边缘处的清洁以及顽固污物的清洁上，路径规划式系统有时表现的也不能令人满意，反而随机碰撞，反复清扫的形式在这样的问题处理中表现的更好。

（3）其他新兴技术——视觉技术

iRobot新推出了最新款的扫地机器人Roomba980，在这款新产品中iRobot运用了最新的iAdapt2.0寻路导航技术，它的最重要组成技术是VSLAM视觉定位技术。仿照其他领域应用激光雷达进行SLAM（场景建模），iRobot打造的VisionSLAM，即VSLAM是一种基于视觉（摄像头）信息的动态环境建模方法。在Roomba980的顶端，安装着一个大约斜45度的摄像头，拍摄到的图像交由它的大脑——定位算法进行处理，识别出其中的模式。这样在程序运行时，机器人会一边建立环境地图，一边同时估计自身在环境中的位置。进而实现精准的清扫路径，达到高水平的清洁覆盖率。相比于之前的iAdapt1.0以及其他品牌运用的室内GPS以及激光定位，视觉定位无疑是更直接也更适合扫地机器人的定位技术。而iRobot的产品跳过激光技术直接使用视觉技术，表明了在这一领域iRobot核心技术的领先地位。

传统的大吸尘器品牌Dyson也于去年推出了全新的高端扫地机器人360Eye，它也是图像式测算导航定位系统的应用者。它利用顶部搭载的摄像头实现360o全方位扫描周围的环境，然后结合红外传感器，利用数学运算和几何、三角法测绘出房间的地图，以此来进行导航，并根据前后影像中各个地标的位置变化来判断当前的移动路线，并对其所构建的环境模型进行更新与调整。

清洁系统：清扫效率的关键

早期的家务机器人基本都是扫地机器人。扫地机器人作为传统吸尘器的进化产品，在清扫方式与吸尘器基本相同，而由于吸力受限使得清洁效果可能还达不到吸尘器的水平。为了解决这样的问题也同时实现功能的多元化，扫地机器人的智能化清洁系统逐渐发展起来，成为品牌的核心竞争力。

在工作原理上，扫地机器人与吸尘器有所不同。吸尘器的清洁突出在“吸”字，将电源线接入220V交流电，通过电动机的高速旋转，利用由此产生的气流，由吸入口吸进垃圾。而扫地机器人的清洁原理基本都是“滚动毛刷+真空吸口”的形式，由电池带动发动机，滚动毛刷起垃圾与小颗粒灰尘，然后由真空吸口吸入。突出的是“扫”和“吸”。随着技术的发展，现在的扫地机器人很多都已同时具备了清扫、干拖、湿拖等功能。

针对最基本的原理“滚动毛刷+真空吸口”，扫地机器人厂商在发展自己核心的清洁系统也专注于两个方向：提升毛刷的清扫能力和设计更有利于真空吸尘的机身结构。在目前的全球市场中，技术先进能够领导未来技术发展的主要有Proscenic，iRobot和国产科沃斯的清洁系统。

Proscenic的新一代产品采用的是升降V型主刷清洁系统。可升降浮动清洁好处是，它能够智能地贴合地面进行清洁，尤其是遇到凹凸不平的地面，自动升降，覆盖到地表的面积增大。双边刷的清扫，可升降的V型主刷搭配进口Nidec无刷电机的真空吸入实现三段式的深度清扫。在毛刷的选择上，Proscenic扫地机器人底部采用了软质橡胶材质和纤维滚刷，提高了清洁能力的同时也可以一定程度上保护地板材质。

iRobot仍然是这一核心技术的行业领先者，在Roomba800系列的产品中已经应用了最新的AeroForce清洁系统。系统采用内部无毛刷的设计，底部由两支重新设计的表面罗纹状的滚筒式软胶底刷组成。而集尘盒内采用了定制马达与风道的设计。滚筒软胶的设计使得机器能够零距离贴近地面旋转，保持真空态势。工作过程中，滚筒软胶式的底刷将顽固污物刮取和震碎后，高效马达与真空气流相互配合，输出吸力可将灰尘、颗粒等一并吸取。对于角落和家具底部区域，扫地机器人也能通过AeroForce系统与旋转边刷的配合能够完成升级版的三段式清扫。这一无内部毛刷的设计又是iRobot对于扫地机器人产品的一大颠覆。

国内品牌科沃斯在清洁系统这一核心技术上取得了重大突破，根据仿生学打造了蓝鲸仿生清洁系统。强吸力，大容量就是这一系统的最突出特点。在滚刷方面科沃斯研制了三种材质的多功能滚刷，分别采用尼龙刷、橡胶刷、纤维刷三合一的组合方式来应对不同地面的灰尘杂物。科沃斯的这一创新设计可以媲美上述的两大清洁系统，共同引领这一领域的未来发展趋势。

Proscenic的升降式清洁更好地实现了扫地机器人在不同场景的不同应对模式，iRobot革命性的AeroForce清洁在解决顽固污物上提供了更好地解决方式，科沃斯的蓝鲸仿生清洁则在机器主体属性上做了很大的提升。这三个方向也是国内外每一个扫地机器人在打造自己核心清洁技术时的发展方向。此外，在国际市场上，Samsung的CycloneForce清洁技术，Neato的αcyclone风道系统等也都是各具优势的核心清洁系统。

10、技术更迭

扫地机器人的技术更迭经历了两个大的变动：

（1）扫地功能化完善阶段，扫地机器人的核心需求是完成扫地动作，如果最基础的需求不能满足，那么其存在的价值就会削弱，因此早期的扫地机器人主要围绕完善清扫系统而进行的；

（2）清扫智能化，扫地机器人是要替代人的行动，需要对家庭环境进行识别感知，因此一些附加的智能化技术开始融入扫地机器人，比如防撞功能、防跌落功能、路径规划导航技术、APP远程控制等。