今天,扫地机器人对于大众来讲已不是新面孔,但却也不是老面孔,因为它在近几年仍处于快速发展的成长期:从一开始的技术形象的“洋概念”,到产品初入国内市场的“奢侈品”,到性能不断优化的“干中学”,再到价格比较亲民的“接地气”,目前又在向“炫酷拽”与“有内涵”兼顾的方向发展。可以说,扫地机器人饱经锻炼,已经成长为家庭服务机器人行列中的排头兵。

从吸尘器手中接过“世纪接力棒”

洗衣服、做饭、打扫卫生,这三项成为现代人们最不喜欢做的事情。好在人类足够聪明,从“懒”中找到了机会。20世纪初发明的吸尘器,给扫除卫生减轻了不少工作量。1901年,英国土木工程师布斯观察到,美国车箱除尘器用压缩空气把尘埃吹入容器内的除尘方式并不高明。他反其道而行之,尝试用强力电泵把空气吸入软管,通过布袋将灰尘过滤。后来,他用这种吸尘法制成了吸尘器,成立了公司并申请了专利。

此后,欧美的胡佛、伊莱克斯、戴森等电器大亨用了近百年的时间,从吸尘器的吸嘴开始,到真空泵,再到电机、储灰箱、过滤网等每一部件入手,轮番对吸尘器进行研发升级。直至1996年,在英国BBC的一档名为《明日世界》的栏目,主持人畅想了未来家庭主妇如何利用科技应对各种家务时,智能扫地机器人雏形初现。

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横罐型真空吸尘器

20世纪80年代SANYO公司就已经开始进行自主吸尘机器人的研发。其作为清洁机器人的研究先驱,对清洁机器人的发展起着不可替代的促进作用。2001年,家电巨头伊莱克斯(Electrolux)重磅推出的三叶虫(Trilobite)智能扫地机器人,是世界上第一款量产的智能扫地机器人,它的命名取自一种在全世界每一寸土地都曾经留下足迹的古老节肢动物,设计者希望它的三叶虫智能扫地机器人,也能像三叶虫一样在世界的每一块地板上驶过。

智能扫地机器人三叶虫的机身采用圆饼形设计,塑料外壳。依靠单片机控制底部车轮自主行动,清洁方面有一个可拆卸滚桶刷和轻型真空泵,采用滚扫为主抽、吸为辅的清扫方式。机体装置的反射式超声波传感器为机器人提供了避障能力。当其完成了清扫任务或内置镍氢电池电量低时,会自动返回电源处充电。三叶虫的储尘箱满后,会自动发出报警音,提醒用户清空。该机器人还配有磁条,用来限制其活动范围,避免进入卫生间或者从楼梯上跌下。

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三叶虫(Trilobite)智能扫地机器人

尽管起初用户们对这款革命性的产品十分追捧,但很快,挑剔的用户就列举了三叶虫的种种不足。在它靠近有尖角的障碍物时,还是会发生碰撞。究其原因,是在这种情况下,超声波反射的能量较少,难以检测。在漂亮的房间里放置磁条也很不美观(在三叶虫二代里磁条被红外线发射器替代)。但是无论如何,圆饼式机体、充电基地加阻挡器,已经成为智能扫地机器人的标准配置。

日本松下电器公司于2002年3月展示了一种吸尘机器人,该吸尘机器人可自动为房屋进行真空吸尘。它的体积略大于一只篮球,前后部都带有酷似眼睛的小灯,能发出声波、红外线等50种传感信号,这些传感信号可让机器人在撞上障碍物之前自动转身。吸尘机器人充电后,工作时间可达55分钟。工作时,它先绕房间行走,计算出房间的大小,然后再做水平及垂直运动进行清扫工作。其缺点是机器人在距离障碍物前6英寸处就停止,无法清扫墙壁死角处的灰尘,导致无法把房间彻底清理干净。

美国马萨诸塞州iRobot机器人公司和麻省理工学院人工智能实验室联合开发的全自动智能吸尘器Roomba,在2002年9月面市,被美国《时代》杂志评选为2002年最酷的发明之一。其运转模式是以数学运算理念设计的,当它启动后会循螺旋状运转,工作过程中清扫范围逐渐扩大,最终涵盖整个空间,当碰到墙壁或其他大型障碍物时,其机身上装载的障碍物感应调节器可以保护机器不受损害,同时沿着墙壁继续清洁。当吸尘器清洁一部分区域后,会转90°以同样方式清扫房间的另一部分,通过重复螺旋运转的路线清扫。此外,该机器人能够探测地面的污垢,可根据房间地面的具体情况进行有重点的清洁。

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iRobot Roomba扫地机器人

这个荣获多项大奖的机器人吸尘器彻底改变了人们清扫地板的方式。2004年,iRobot推出了有污垢探测和自动充电功能的产品。2005年,iRobot发布了清洗地板的机器人Scooba,它能清洗硬地板、瓷砖、油布地板等。2008年,iRobot发布了宠物系列。目前,iRobot的扫地机器人产品可以做到主动对清扫环境进行监测,每秒钟思考次数超过60次,并且能够以40种不同的动作进行反应。

清洁机器人作为服务于人类的特种机器人,它是服务机器人不可或缺的一部分。其实,从吸尘器、机器人吸尘器、扫地机、扫地机器人、清洁机器人、家庭服务机器人等名称的出现和变化,我们也可以看出,扫地机器人的成长经历了一个从简单到复杂、从低端到高端的过程。一开始,扫地机器人是手动、半自动吸尘器的升级版,自行移动、全自动的吸尘功能意味着将人的双手解放出来,代表了劳动方式的升级。而后,随着研发的投入和相关技术的进步,能够吸尘仅仅是基本的功能。

从iRobot产品系列的功能介绍,我们可以了解到:机器人的“视力”越来越好——能适应不同房间格局、探测到污垢;“腿脚”越来越适应环境——清洁沙发底部、床底等不在话下;“手段”实力越来越强大——除了吸尘,还可以对污垢进行局部的反复清理,角落、墙边和家具边缘也不放过;“头脑”越来越聪明——可轻松摆脱电线、流苏等障碍物,不会被缠住。随着感知、决策、执行,三项功能的一一具备和逐步完善,扫地机也就发展成了机器人。

“排头兵”都练就了哪些“真本领”

扫地机器人正在经历从“功能机”到“智能机”的换代转变,其智能性目前主要体现在三个方面:绘制房间地图的能力、定位能力和导航能力。通过这三种技能,扫地机器人能够边工作边建构用户家里的地图,然后再结合机器人的定位和导航能力,对房间进行有效清扫。而且扫地机器人越用越“聪明”,随着时间推移,它能够精准记忆用户的家居地图。根据这张实时更新的地图,扫地机器人能够知道哪些区域已经扫过,哪些区域还未清扫。

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绘制房间地图的能力、定位能力和导航能力

扫地机器人以上三方面移动的智能性,都与智能机器人应具备的“感知”功能有关。近十年来,扫地机器人“感知”功能不断发生着“进化”。在2007-2012年,市场上的扫地机器人主要采用红外线传感。其优缺点是,红外线传输距离远,但对使用环境有相当高的要求,当遇上浅色或深色的家居物品,它无法反射回来,会造成机器与家居物品发生碰撞,时间一久,底部的家居物品会被它撞得斑斑点点。2013年开始,扫地机器人逐渐采用超声波仿生技术。仿生超声波技术,类似鲸鱼、蝙蝠,采用声波来侦测判断家居物品及空间方位,灵敏度高,技术成本高。在航空工业上都有系统的运用。近年来,采用的室内激光导航技术,可对室内地形布局建图,从而实现全局精准清扫计划,同时配合红外扫描技术、超声波技术,使扫地机器人能够360°躲避障碍物,避免随机规划路径乱扫乱撞的情景出现。

目前,一些国产扫地机器人导航一次覆盖率就能达到90%以上,远超出前些年60%的平均水平。为确定哪些区域需要多加清扫,一些机器人吸尘器的旋转刷附近设有尘土传感器,它是声敏传感器。当鼓风机扬起较多灰尘时,灰尘撞击传感器的金属板,导致较大振动。传感器会检测到振动增加,并指挥机器人吸尘器再次清扫该区域。当机器人吸尘器的清扫板(内有鼓风机设置)感知到地板表面升高时,会自动调整自身高度,以实现在不同地板类型之间的转换。

拖地机器人由于起步较晚,且需要克服的关键技术难点较多,是近年来清洁机器人领域的研究重点。美国iRobot公司研发的拖地机器人Scooba 390,是全球第一款全自动洗地机器人,如图4所示。该机器人采用独特的“四段式清洗系统”完成清洁任务,工作过程经过准备、洒水、擦拭、吸水四个阶段,机器人系统达到了集拖地、吸尘、杀菌一体化的清洁效果。

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iRobo Scooba 390

擦地机器人主要针对比较洁净,不需要清扫的地面。擦地机器人的擦地方式可分为被动式和主动式两种,目前主要的擦地方式为被动式。被动式的擦地方式可描述为:擦地抹布固定安装在清洁机器人的底端,确保贴合地面,随着机器人的运动,抹布对地面擦拭。由于该种擦地方式较为简单,一般而言,擦地机器人不会独立设计成为一个机器人。因此,机器人又集成了拖地功能,在抹布上方加了蓄水板,拖地与擦地不同之处在于不再是简单地推着抹布行走,而是模仿人使用拖把拖地过程,对地面进行往复擦拭。此外,该擦地技术可集成在扫地机器上。

清扫家具下方的能力很可能是机器人吸尘器最大的优点之一。扫地机器人可以完全钻到家具底下,这是人和直立式吸尘器所做不到的。目前,较薄的机型,机身6.8cm,工作高度仅为8cm(机器人吸尘器行业一个厘米的高度差,是前期中研发千万级别的投入),可轻松地钻到大多数茶几、床头柜、床和一些沙发下面。另外,一些扫地机器人采用的马达配合离心式叶轮,得以在地毯、地板、瓷砖等不同地面,以不同速度进行清洁工作;自带宠物清洁套件,包括宠物毛刷和含褶皱设计的敏感源滤网,专为家中有宠物者设计,并减少了过敏患者的烦恼。部分扫地机器人还支持APP远程操控,扫地机器人的清洁地图可呈现在手机上,并可查看扫地机器人的清洁面积、清洁时间等,其清扫结果一目了然。另外,在扫地功能的基础上,“多合一”产品似乎也成为新趋势。不少品牌推出了扫拖一体的产品。同时,一些厂商也增加了紫外线消毒、杀菌除螨、空气净化、视频监控等卖点,宣传其产品的优越之处。

“好兵”在多也在精

布莱恩约弗森和麦卡菲在《第二次机器革命》中预言,“第一次机器革命部分替代我们的身体,第二次机器革命会部分地替代我们的头脑”。随着我国社会的发展,居民生活质量的不断提升,如何让生活更加舒适简便,被年轻用户所推崇,这也是扫地机近两年呈现爆炸式增长的主要原因之一。业内称2014年是“智能家居元年”,智能家电和穿戴设备的消费潮流突然袭来,而扫地机器人正是其中的“排头兵”。扫地机器人在进入中国市场之初,价格昂贵,渗透率较低,经过短短几年的发展,国内市场逐渐被打开。

相关数据显示,2016年上半年,扫地机器人已成为智能家电中普及速度最快和渗透率最高的电器之一,国内线上扫地机器人的占比达到13.3%(扫地机器人销售额/吸尘器总销售额),而2015年这一比例甚至不足1%。仅一年时间,国内线上扫地机器人的渗透率就有了大幅提高。而根据GFK数据,2015年中国扫地机器人市场零售规模在50亿元左右,这一数字在2017年将达到75亿元,2018年则将增长至120亿元,扫地机器人市场空间巨大。

扫地机器人普及速度在加快,其技术也在不断进步和成熟。与服务于欧美大户型、替代高人工费用的主要消费卖点不同的是,我国市场上扫地机器人的功能升级非常迅速,导航定位、自动归位、防撞感应等,已成为扫地机器人的必备功能。但另一方面,用户对于扫地机器人更精准的定位、更高效的清洁以及更安静的工作分贝的需求,还没得到很好地满足,所以在进入爆发期前,能够掌握扫地机器人尖端技术和抓住用户痛点的品牌,才能成为真正的领先者。扫地机器人市场属于新兴产品市场,品牌排序还未稳定,后进入的品牌仍有巨大的成长空间。未来将会有更多的传统家电企业和互联网跨界企业涉足。需要注意的是,虽然我国扫地机器人的交易规模和渗透率在逐年提高,但与欧美发达国家相比还有很大差距。尤其是我国扫地机器人,目前只覆盖主要的一二线城市,在更广的空间范围内,渗透率的提高还需要时间。

关键要让家用机器人更“贴心”

总体上,我国家用机器人发展还处于初级阶段,仍然存在着许多问题,如价格过高,实用性偏低,操作不灵活等。从目前情况来看,许多家电厂商对机器人的生产和应用充满热情,但核心技术的研发仍然是个硬伤。大多是以轮式移动平台,通过互联网和软件编程,实现一些简单实用的功能。厂商应加大研发投入与合作力度,结合现有产品和技术优势,让家用机器人更加“贴心”。

首先质量要更可靠。重视品牌塑造,严把质量关,注重安全性、可靠性和系统稳定性。不能忽略“制造”而直接跳跃至“智造”。国人疯狂采购日本马桶盖的后续,是期待国内产品质量的升级,而绝非是仅仅对多功能设计的偏好。同时,企业不能忽视其作为家电用品的本质,避免发生安全事件。同时,亟需制定出台针对家用机器人的安全标准。

其次功能更实用。关键在于抓住用户需求,而并非是为了业内同行之间的比拼,而实现多功能。目前市场中的家庭智能机器人主要可分为三类:功能型机器人、社交陪伴型机器人和仿生机器人。对于一个扫地机器人,舞跳得再好扫不好地都不会是用户的真爱。功能花哨,噱头十足,实用性却不强,那么家用机器人只能沦为高价玩具,会让人望其高价而却步。随着我国人口老龄化阶段的到来,厂商也应抓住护理机器人这一解决养老问题的重要需求,同时让机器人的操作更加灵活。

另外,需要更加人性化。未来,要逐步完成机器人功能的整合,朝着更具“人性”温度的方向发展,不断研发创新,落实家用机器人变革的“工具-管家-陪伴”的三阶段。

在开放式、网络化的发展思路之下,也许家庭机器人替我们签收无人机送来快递的那一天,很快就会到来!