掃地機器人的自動回充技術專利綜述

周 香 許慶婷

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著科學技術的進步和社會發展，服務型機器人逐漸進入人們的生活，其中最典型的就是掃地機器人。掃地機器人技術涉及多個學科，隨著掃地機器人的普及，相關學科也成為國內外學者關注的熱點。

目前市面上掃地機器人的品牌眾多，為應對競爭激烈的市場環境，相關企業、科研團隊需要不斷完善掃地機器人的相關技術。掃地機器人主要包括吸塵部分和智能化部分［1］，在前期發展階段，主要是改進吸塵部分的效能［2］，吸塵部分在原理上與傳統的吸塵器類似，主要是在結構上進一步考慮尺寸、靈活度、集成度等。而現階段，在保證較優良的吸塵效果的基礎上，掃地機器人的研發方向集中在智能化部分，主要包括定位追蹤技術、路徑規劃技術、傳感器技術和自動回充技術等［3］。目前，市場上的掃地機器人基本能夠實現智能化，即在沒有人為干預的情況下，能夠自主完成空間內的清潔任務。

1 自動回充技術

掃地機器人需要電池作為電源驅動，一般來說使用可充電電池。掃地機器人在工作一段時間后，需要對電池充電才能繼續工作。如果不能自主完成充電，那么在充電完成后需要人工干預才能繼續進行之前未完成的清潔工作，這樣掃地機器人還是無法實現長期獨立自主工作。若要實現完全意義上的獨立自主，掃地機器人就必須具備在特定環境中自主充電的能力，即具備自動回充技術，掃地機器人自主感知外部充電座的位置，以便在電池需要充電的時候自動返回到外部充電座。

2001年，瑞典商業電器生產商伊萊克斯推出了三葉蟲智能掃地機器人（如圖1 所示），它是世界上第一款量產的智能掃地機器人，當其完成清掃任務或內置電池電量低時，會自動返回電源處充電［4］。2003 年，三星公司推出了VC-RP30W（如圖2 所示），這是一款自動化程度很高的掃地機器人，它可以通過3D 地圖技術進行定位，一旦發現自身電量不足，可以根據自身內置程序準確快速地回到充電座位置進行充電。

圖1 三葉蟲掃地智能機器人

圖2 三星VC-RP30W

在國內，哈爾濱工業大學是最早開展智能機器人研究的單位之一，其研制的智能清掃機器人采用先進的移動機器人路徑規劃技術，用遙控器確定房間地圖后，可自動尋找充電站對接進行自動充電。科沃斯掃地機器人是國內最早實現產品化的掃地機器人，它的充電座通過發射紅外信號來引導機器人返回充電座。

掃地機器人的自動充電包括自動歸位、對接和充電三個步驟。歸位是指機器人能夠回到充電座；對接是指以合適的姿態和角度進入充電座，以實現充電觸點的可靠連接；充電的方式分為接觸式和非接觸式［5］。

2 掃地機器人自動回充技術專利申請狀況分析

2.1 申請人國家分布

掃地機器人主動回充技術專利申請的申請人國家或地區分布如圖3所示。由圖3可知，中國、韓國在相關技術的申請量最大，其次為日本、美國、德國、歐洲及其他國家或地區。

圖3 專利申請地申請人國家或地區分布

2.2 主要申請人

申請量排名前13的專利申請人如圖4所示，分別是LG 電子株式會社（韓國）、三星公司（韓國）、江蘇美的股份有限公司（中國）、泰怡凱電器有限公司（中國）、夏普公司（日本）、蘇州寶時得電動工具有限公司（中國）、萊克電氣股份有限公司（中國）、艾羅伯特公司（美國）、小米科技有限責任公司（中國）、松下電器有限公司（日本）、日立公司（日本）、恩斯邁電子有限公司（中國）、科沃斯機器人科技有限公司（中國）。

圖4 申請量排名前13的申請人

國內申請人中，江蘇美的股份有限公司、泰怡凱電器有限公司和蘇州寶時得電動工具有限公司分別占據第三，第四和第六的位置。國外申請人中，韓國LG公司和三星公司申請量較多，分別排名第一和第二，可以看出韓國在該技術領域創新實力較強。

3 自動回充技術分析

3.1 自動歸位技術

通過對專利技術的梳理可知，掃地機器人的自主歸位方式主要以紅外、超聲波、照相機引導、設置識別圖案、地圖導航等多種方式結合為主。隨著自動回充技術的不斷發展，目前專利申請改進點大多在于如何將已有的多種方式結合，提高自動回充的準確性、可靠性。

3.1.1 基于紅外信號的自動歸位技術。充電站具有發射紅外信號的發射裝置，掃地機器人的接收裝置在一定方向上可以接收到該紅外信號，用以使掃地機器人回到充電座。該方式定位精度高，可以保證尋找的成功率，且原理簡單，生產成本低。目前市場上大多數機型都是采用紅外信號實現自動回充的。但該技術也存在著以下缺點：紅外信號覆蓋范圍小，測量距離較短；紅外信號無法穿透障礙物，當有障礙物遮擋紅外信號時，無法自動歸位；紅外信號抗干擾能力差，易受環境的影響。

泰怡凱電器（蘇州）有限公司在專利申請CN1650792A中提出一種自動吸塵器及其充電座和對接方法，充電座本體上設置背向墻根凸出的充電座向前凸起，充電極及紅外發射裝置位于充電座向前凸起的一側部，自動吸塵器在充電座向前凸起的前面和側部向前行進的同時旋轉一定角度，直至側面紅外接收探頭接收到紅外發射裝置發出的紅外線信號，自動吸塵器才會停下來，再在原地旋轉，至尾部紅外接收探頭探測到紅外發射裝置發出的紅外線信號后，自動吸塵器朝著充電座后退，直至最后自動吸塵器與充電座對接成功。

3.1.2 基于超聲波引導的自動歸位技術。充電站具有發射超聲波的發射裝置，掃地機器人的接收裝置接收到該超聲波信號，引導掃地機器人自動歸位。由于超聲波可繞過障礙物、穿透門窗，掃地機器人的工作位置和充電座可以不在同一房間。但該方式同樣存在易受干擾的缺點。

LG 電子公司在專利申請KR100575706B 中提出了一種掃地機器人回充系統和方法，通過使用定向射頻天線和超聲波傳感器檢測到無障礙物的最短距離來快速地將機器人清潔器返回充電站；充電站用射頻信號發生器產生射頻信號，引導機器人清潔器返回充電站，機器人清潔器基于感測到的射頻信號的強度來檢測到充電站的距離，并將檢測到的距離與由超聲波傳感器檢測到的到充電站的距離進行比較，根據比較結果來檢測到充電站的最短路徑；機器人清潔器具有射頻定向天線、超聲波傳感器、存儲器和微型計算機。

3.1.3 基于設置識別圖案的自動歸位技術。基于設置識別圖案的自動歸位技術，是在充電座上設置識別圖案，掃地機器人通過傳感器或照相機獲取圖像，并向充電座前進。

泰怡凱電器（蘇州）有限公司在專利申請CN1403050A中提出了一種自動吸塵器的充電座及其自動吸塵器與充電座的對接方法，充電座體上設有奇數個條碼安裝平面，各個條碼安裝平面上設有豎條碼，自動吸塵器通過紅外傳感器對條碼安裝平面進行掃碼并記錄豎條碼數，根據掃碼所得的豎條碼數判斷自動吸塵器本體所在的方位，并使自動吸塵器本體向著最中央的一個條碼安裝平面的中心豎條碼的位置移動。

3.1.4 基于照相機的自動歸位技術。基于照相機的自動歸位技術，是采用照相機拍攝當前圖像，分析掃地機器人的位置，計算路徑，以使得掃地機器人自動返回充電器。但該方式使用的照相機成本較高，且機器人本體需要配有足夠容量的存儲器，整個成本隨之提高；再者，進行圖像對比，需要計算處理，機器人反應判別響應較慢，降低了機器人的工作效率。

三星光州電子株式會社在專利申請CN124514 0C 中提出了一種機器人吸塵器系統及其與充電設備對接方法，當確定收到充電命令信號時，機器人吸塵器用上部照相機拍攝當前的仰視圖像，并計算機器人吸塵器的當前位置信息。機器人吸塵器基于當前位置信息和存儲的外部充電設備的位置信息，計算返回到外部充電設備的路徑，運用該信息，機器人吸塵器可沿計算好的路徑行進。

3.2 自動對接技術

機器人要實現自動回充，不僅需要能夠自動歸位，還需要與充電座可靠對接，才能實現充電功能。掃地機器人的對接技術包括機械引導、磁鐵吸引等方式。

株式會社日立制作所在專利申請JP200426723 6A 中提出了一種自動行走式清掃機和其中使用的充電裝置，通過在充電座上設置導軌，其與掃地機上的導軌相互嵌合，使得充電端子和充電裝置的充電端子接觸，實現充電。LG 電子株式會社在專利申請KR20070112909A 中提出了一種掃地機的充電裝置，通過磁體實現對充電座的固定，從而使得掃地機能夠穩定地與充電裝置電接觸。

3.3 掃地機器人的充電方式

掃地機器人的充電方式分為接觸式充電和非接觸式充電。目前，市場上大多數掃地機器人采用的是接觸式充電，接觸式充電有以下缺點：由于需要對接機構，體積較大，占用較大家庭空間；可能會撞擊充電裝置，使其位置變化，經常需要人工將充電裝置擺正；需要裸露的金屬觸點，容易發生危險；充電時必須準確對準充電裝置的金屬觸點，有時會發生對準失敗，無法充電的情況。非接觸式充電無需精準對接即可完成充電過程，充電座無需裸露地觸點，加強了充電座的安全性，但目前還存在充電效率較低的問題。

東芝電池株式會社在專利申請JP2007275361 A 中提出了一種清潔機器人，其自動清潔系統包括：充電器、清潔機器人，清潔機器人包括接觸端子，用于與充電器的接觸端子接觸以實現充電。哈爾濱工業大學在專利申請CN103142183A 中提出了一種智能無線充電吸塵器系統，智能無線充電吸塵器系統，包括充電座和智能充電單元，充電座包括能量發射模塊、一號感應裝置和一號控制器；智能充電單元包括能量接收模塊，二號感應裝置和二號控制器。

4 結語

從掃地機器人的自動回充技術的專利分析可以看出，國內外對該技術的研究已經相對較成熟，現階段的改進點大多在于如何將已有的多種方式結合及分步驟地進行引導，提高自動回充的準確性、可靠性。從數據分析可以看出，韓國在該領域的創新實力處于領先地位。其中，掃地機器人的無線充電的相關申請數量還相對較少，市場上的掃地機器人幾乎全采用接觸式充電，主要原因是相對于接觸式充電，無線充電的效率仍然偏低，如何提高無線充電的效率仍有待研究。