家用清潔機器人專利技術綜述

王如想 陳然 董潤

摘要：清潔機器人作為一種智能家用電器，能搭載人工智能技術，自動在房間內完成地面清潔工作。本文對全球家用清潔機器人專利申請趨勢、主要申請人、重點專利進行分析，以期為相關企業、科研院所研究人員提供有益借鑒。

關鍵詞：機器人;清潔;專利申請;技術綜述

中圖分類號：G306;TP242文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）18-00145-05

1 引言

室內清潔枯燥乏味，多次重復性的室內清潔，一定程度上降低了人們的生活質量。隨著我國市場經濟快速發展，國民物質生活水平不斷提高，越來越多的消費者開始注重生活品質，以家庭服務為主要功能的清潔作業自動化與智能化的高效高質清潔機器人逐漸由實驗室走進人們的生活中。

家用清潔機器人，又可以稱為清潔機、智能吸塵器、清潔機器人等，是智能家用電器的重要組成部分。家用清潔機器人主要包括機器人主體框架、行走裝置、控制裝置、刷掃/抹布等清潔部件。部分清潔機器人采用真空吸塵模式，通過真空負壓將地面的雜物或灰塵吸收，將其收入集塵盒內，進行地面清理工作。根據清潔需要，部分清潔機器人主體上設置有清潔液箱，能夠容納一定量的清潔液。清潔機器人也具備障礙物探測，觸覺感應[1]，自動充電等多種功能，滿足了人們高質量的生活需求。

2 專利申請情況

本文采用的專利文獻數據來源于國家知識產權局專利檢索系統，選取中英文關鍵詞“清掃 or 清潔 or 掃地 or 拖地 or clean+”和“機器人 or robot”，檢索國內外專利申請，時間截止到2020年3月5日之前的樣本作為研究對象。由于未申請提前公開的發明專利申請在申請日后18個月才公開，因此部分專利申請由于未公開而不在本次文獻采集之列。

2.1 國內外申請量分析

圖1示出了家用清潔機器人國內外歷年專利申請量分布。就全球專利申請而言，21世紀之前，專利申請量較少，且發展緩慢，此時清潔機器人研究尚處于基礎理論和應用技術探索階段，機器人制作成本高，集成化程度低，體積大，清潔效率低，且人工智能相關技術不成熟等因素都限制了其發展。進入21世紀，清潔機器人進入了緩慢發展期和快速發展期。21世紀前10年（2000—2010年），智能家用電器的發展、精密制作等關鍵技術的研究帶動了清潔機器人整體上的一定程度發展，專利申請量較2000年之前有了一定的增長。另外，進入21世紀，人們對智能清潔的需求也一定程度上刺激了家用清潔機器人專利技術的快速發展。自2011年以來，隨著AI技術、路徑規劃、地圖構建與傳感器技術、自動充電技術、激光雷達技術、人機交互技術等關鍵技術的發展，使清潔機器人搭載關鍵智能技術呈現出行業爆發式發展情景，家用清潔機器人進入了快速發展期。

通過國內、國外及全球申請量趨勢曲線分析可知，我國家用清潔機器人領域技術進步發展與其他國家的技術發展速度是一致的。尤其是2011年以來，國內家用清潔機器人相關企業和科研院所尋找到的技術突破點及發展方向，趕超了同行業的發展水平，加快了家用清潔機器人技術研發，申請量快速增長，遠超國外申請量。

2.2 主要申請人分析

2.2.1 主要申請人排名分析。圖2為家用清潔機器人全球專利主要申請人排名情況。排名第一位的是中國美的公司，申請量為361件;緊隨其后的分別是三星電子和iRobot公司，申請量為274、225件，說明美的、三星電子和iRobot公司非常重視在家用清潔機器人這一智能家電領域專利技術的布局;深圳市銀星智能科技股份有限公司、美國MAYTRONICS LTD兩家公司在家用清潔機器人領域也具有較強的技術實力，申請量均在100件以上;科沃斯機器人股份有限公司，作為國內兼具技術實力與產品市場且產品口碑較高的公司，是家用清潔機器人的國內佼佼者，該公司在清潔領域起步較早，且一直比較重視專利的市場布局;小狗電器互聯網科技（北京）股份有限公司、珠海市一微半導體有限公司、廣東寶樂機器人股份有限公司、LG電子也是家用清潔機器人這一技術領域的主要申請人，申請量均在60件以上，這些公司對家用清潔機器人技術的專利布局都比較重視。值得注意的是，中國美的公司對于知識產權的重視和布局在本領域處于領先地位，值得國內家用清潔機器人行業學習。

2.2.2 主要申請人申請趨勢分析。為進一步研究美的公司、三星電子和美國iRobot公司在家用清潔機器人領域的專利申請情況，本文制作了三家公司在這一領域的申請量趨勢，從申請量趨勢可以明顯的看出，2012年以前三星電子和iRobot公司已經開始布局，尤其是三星電子在1994年已經開始布局這一領域，2001年iRobot公司啟動這一領域的專利布局，2012年以前兩家公司的申請量均維持在每年10件左右。2012年開始，隨著新一代通信技術、精密電子技術的發展，三星公司和iRobot公司加快了家用清潔機器人的研發和布局，三星公司在2014年年申請量達到最高值，以后出現下降趨勢，iRobot公司持續不斷的開展研發和技術布局，年申請量保持了一定的增長。值得注意的是，雖然中國美的公司在家用清潔機器人領域申請量較大，但公司在這一技術領域起步較晚，首次申請在2014年，在2014—2017年間，申請量保持平穩增長，經過幾年持續不斷的努力和技術積累，尋求到技術突破點和發力點，在2018年申請量實現了飛速發展，趕超同領域其他公司;綜上，根據三家公司不同的專利布局模式可以預測得出，美的公司在未來仍然是該技術領域的主力軍，而iRobot公司仍然會持續不斷的投入研發，在這一領域占有一席之地，三星電子在尋求新的技術突破點之前申請量維持穩定。

2.2.3 主要申請人技術領域分析。A47L：家庭的洗滌或清掃;G05D：非電變量的控制或調節系統;B25J：機械手;裝有操縱裝置的容器;E04H：專門用途的建筑物或類似的構筑物;游泳或噴水浴槽或池;桅桿;圍欄;一般帳篷或天篷;G01S：無線電定向;無線電導航;采用無線電波測距或測速;采用無線電波的反射或再輻射的定位或存在檢測;采用其他波的類似裝置;H02J：供電或配電的電路裝置或系統;電能存儲系統;G06F：電數字數據處理;G05B：一般的控制或調節系統;這種系統的功能單元;用于這種系統或單元的監視或測試裝置;G01C：測量距離、水準或者方位;勘測;導航;陀螺儀;攝影測量學或視頻測量學;B08B：一般清潔;一般污垢的防除;G06K：數據識別;數據表示;記錄載體;記錄載體的處理。

由表1和圖5呈現的家用清潔機器人技術在全球范圍的技術主題分布情況分析可知：A47L（家用清潔）分類位置下的專利申請量最多，達到1068件，排在第二位的是G05D（非電變量的控制或調節系統），申請量為249件;排在第三位的是B25J（機械手，裝有操縱裝置的容器），專利申請量為218件;排在第四位的E04H申請量也在100件以上;另外，G01S，H02J，G06F，G05B，G01C，B08B，G06K幾個分類位置下的專利申請量也有涉及;由此可推定，家用清潔機器人在向智能化、便捷化發展。

另外，通過主要申請人的技術領域分布情況可知，與三星電子和iRobot公司相比美的公司涉及的技術領域更廣，三星電子涉及對清掃機器人控制方法和控制系統較其他公司多。美的公司的技術布局在涉及到控制系統和控制方法，以及硬件結構。值得一提的是，美的公司在這一領域的專利技術布局也較多的涉及無線電導航、無線電測距，無線定位等，體現在清潔機器人的具體功能表現為自動充電、障礙物感測、障礙物定位、人機交互等，由此進一步得到主要申請人的研究方向在逐步向智能化、便捷化發展，給用戶更好的體驗。

2.2.4 主要申請技術路線分析。在家用清潔機器人領域，iRobot公司的產品和專利申請都占據較大的市場份額，統計發現iRobot公司在家用清潔機器人領域共計225項申請，從目標市場來看，iRobot作為一家美國企業，國內申請量178件，對本土市場非常重視，在歐洲市場申請72件，中國66件，日本62件，澳大利亞33件，韓國14件，通過PCT提交申請39件，由此可見，iRobot除了在本土市場進行專利布局外，在歐洲、日本、中國、澳大利亞都有相當數量的專利布局。

圖4為iRobot公司家用清潔機器人重要專利技術分支，iRobot公司是由全球知名MIT計算機科學與人工智能實驗室技術轉移及投資成立的機器人產品與技術專業研發公司，因此，該公司的重要專利主要集中在硬件結構和智能控制領域。智能控制也是iRobot公司產品智能化提升的表現，公司生產的機器人起初用于軍方，2002年9月正式開啟家用機器人市場，第一件清潔機器人領域的專利申請在2002年1月。通過重要專利技術分支可以發現該公司在硬件結構方面重點在于機器人干濕分區清潔結構的改進、設置機器人外部維護站用于回收過多的垃圾，清潔機器人主要結構如清潔部件、過濾組件等的改進，針對機器人靈活工作的硬件結構也有涉及;在智能控制領域更多的專利涉及電量自動檢測及自動充電，智能導航及智能避障，地圖建模和路徑規劃，智能控制是清潔機器人產品具有競爭力的核心關鍵技術，也是企業關注的重點技術。

3 重點專利分析

本文分別從家用清潔機器人的結構、發展方向和技術熱點等方面篩選本領域重點專利進行分析，重點專利篩選時綜合考慮了專利的被引用頻次、同族專利數量、保護范圍、申請人的重要程度、在技術發展過程中的地位等因素，具體如下：

3.1 專利US20050192707A1

申請人：三星電子

申請日：20050106

發明名稱：一種清潔機器人的灰塵檢測方法和裝置

技術方案：灰塵檢測方法包括：獲取地板的圖像作為當前地板預定位置的圖像，獲得當前地板圖像和背景圖像之間的差異圖像，差異圖像的獲得包括圖像特征點的選擇，通過差異圖像檢測地板灰塵并調整吸塵器的吸塵功率?？稍黾幼詣忧鍧嵾^程的效率檢測地板上的灰塵，調節清洗機器人的清洗動力，并修改所述清潔機器人的清潔路徑。

專利重要性分析：該專利具有同族專利4篇，被引用數量為165次，目前處于有效狀態。該專利屬于家用清潔機器人智能化的雛形，為家用清潔機器人智能化提供了技術思路，通過對清潔機器人圖形圖像及路徑的最優選擇，提高了清潔機器人的清潔效率。該專利為清潔機器人路徑選擇技術分支的基礎性專利，相關領域的研發人員和審查員可參考該專利及引用該專利的文獻，了解相關技術的基礎和發展。

3.2 專利US20060235570A1

申請人：LG電子

申請日：20051208

發明名稱：無線可控清潔機器人及其遙控系統

技術方案：本發明公開了一種可無線控制的清潔機器人和用于控制該清潔機器人的遠程控制系統，其中清潔機器人的驅動通過從具有各種無線通信功能的許多外部設備發送的各種控制信號來控制。所述清潔機器人包括無線通信模塊和微處理器。無線通信模塊基于各種無線通信協議接收從外部設備發送的控制信號。微處理器基于相應的無線通信協議解碼通過無線通信模塊接收的控制信號，并響應于解碼的操作命令控制清潔機器人的驅動。

重要性分析：該專利具有同族專利7篇，60篇在后申請引證，專利經過技術轉讓。該技術方案搭載了通信技術，通過無線通信協議實現對家用清潔機器人的遠程控制，為人機交互提供了技術支持，為家用清潔機器人人機交互通信連接領域的基礎專利。

3.3 專利：US20080307590A1

申請人：iRobot公司

申請日（優先權日）：20020103

發明名稱：自主式地面清潔機器人

技術方案：清潔機器人通過優化清潔能力和其清洗機構用于協同作業，提高清潔效率，同時最小化或減少功率需求，具體技術方案為：自動地板清潔機器人的基礎結構包括底盤，動力子系統，自動調節系統，控制系統，障礙傳感器;障礙傳感器用于檢測障礙物，并將障礙物信息傳遞至控制模塊;機器人的刷組件，真空組件相互配合，底盤能用于自動響應于扭矩的變化，側刷感應顆粒的方向，控制系統控制機器人的集塵裝置向顆粒方向扭轉。

專利重要性分析：該專利具有同族專利243，被引用數量為211次，目前處于有效狀態。該專利公開的家用清潔機器人能感應周圍環境信息，并根據上述信息作出響應，根據響應實現自動避障及自動感應顆粒方向，提升了清潔機器人的工作效率。

3.4 專利CN2008100602049

申請人：浙江大學

申請日：20080331

發明名稱：遙控式爬壁清潔機器人

技術方案：在清潔機器人主體板下設置一前一后兩吸盤，兩吸盤中的負壓分別由兩微型真空泵提供，在機器人的前后分別設置一對圓形清潔盤，機器人的轉向功能由換向機構、遙控電路和遙控器配合實現，通過遙控器控制換向機構的動作，實現機器人前進、后退、左轉、右轉四個方位的移動。機器人的越障檢測由四個接近開關和四個提起機構實現，由于具備越障功能，能替代人從事惡劣作業環境下的壁面清洗作業，提高清洗速度，減輕工人勞動強度。

重要性分析：該專利具有同族專利7篇，21篇在后申請引證。該機器人通過巧妙的結構設置，實現機器人高效完成清潔工作，能夠多方位的移動，實現清潔機器人靈活的移動，能夠實現多角度的清掃，為清潔機器人結構改進重要專利。

4 結語

全球范圍內，家用清潔機器人專利申請量自2011年以來呈現快速增長趨勢，且主要申請人為美的、三星電子、iRobot公司。隨著經濟社會的發展，人們對家用清潔機器人的需求逐漸增多，家用清潔機器人也越來越多的走進我們的生活。在技術層面上，家用清潔機器人的技術體系脈絡比較清晰，對實現家用清潔機器人智能化、專業化、高效、低成本、集成化的方案設計已慢慢趨于成熟，但對于智能性提升、成本控制、清潔效果等方面的研發仍然是目前的研究重點[2];在市場層面上，隨著人們對使用體驗的要求提高及生活節奏的加快，家用清潔機器人在家庭中也將逐步普及，市場蘊含的經濟效益將會推動家用清潔機器人的進一步發展;在專利層面，隨著AI技術[3]、機器人算法、自主識別、路徑規劃、人機交互等技術的日趨成熟，專利申請從裝置、方法、系統結構層面逐步向具體應用、衍生技術等層面發展，在當前的專利申請中，應用、改進類的家用清潔機器人已逐步成為家用清潔機器人的主要申請方向，這是相關企業競爭家用清潔機器人市場的一個發力點，各企業在該方向上的競爭，也推動了家用清潔機器人技術更加快速地發展。

參考文獻：

[1] 符秀輝，韋建輝，歐陽淑麗.一類家用清潔機器人的研究[J].儀器儀表學報，2012，33（8）：195-196.

[2] 國家知識產權局專利分析和預警工作領導小組.前沿技術領域專利競爭格局與趨勢[M].北京：知識產權出版社，2018：140-141.

[3] 韓力群.服務機器人亟待AI技術賦能[J].Columm專欄·智慧機器人，2019（12）：82-83.