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按：本文作者張玉坤/劉偉，來自北郵人機與認知實驗室（公號：人機與認知實驗室），雷鋒網(wǎng)已獲授權(quán)。
回到家打開家門的那一刻，你會發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實是殘酷的：衣服沒洗、地沒打掃、飯沒做、碗沒刷......光是想想，就已經(jīng)很讓人感覺很累了，更別說去做了。面對這種情況，十幾年前人們可能會輕嘆一聲，然后一邊自我催眠“勞動節(jié)勞動最光榮”，一邊拖著疲憊的身軀把家務做完。現(xiàn)在，人們面對這個問題，不用再像過去那樣惆悵了，隨著技術(shù)的進步，智能家居及家用服務機器人日趨成熟，已經(jīng)可以代替人們完成大部分家務，各種節(jié)假日大家可以更愉快地玩耍了。
2015年北京世界機器人大會，家用服務類機器人成為會上的熱點，現(xiàn)在的家用服務機器人產(chǎn)業(yè)里，發(fā)展最為成熟的要數(shù)掃地機器人了。雙十一生活類電器銷售冠軍已連續(xù)兩年被掃地機器人占據(jù)，相信用不了太久，掃地機器人將成為下一個家用“必需品”。下面就讓我們來看一下掃地機器人的前世今生。
掃地機器人，又稱機器人吸塵器（robotic vacuum cleaner或robovac），從名字就可以看出，它與吸塵器有莫大的淵源，談到掃地機器人的歷史就不得不談它的前世——真空吸塵器。
真空吸塵器是由地毯清掃器發(fā)展而來的，第一臺地毯清掃器出現(xiàn)在1860年代，而第一臺現(xiàn)代真空吸塵器則出現(xiàn)在20世紀初。它是由英國人休伯特·布茲（Hubert Cecil Booth）在1901年發(fā)明的，其主要部件是真空泵、集塵袋、軟管及各種形狀不同的管嘴,它有一個電動抽風機，通電后高速運轉(zhuǎn)，使吸塵器內(nèi)部形成瞬間真空，內(nèi)部的氣壓大大低于外界的氣壓，在這個氣壓差的作用下，塵埃和臟物隨著氣流進入吸塵器桶體內(nèi)，再經(jīng)過集塵袋的過濾，塵垢留在集塵袋，凈化后的空氣則經(jīng)過電動機重新逸入室內(nèi)，起到冷卻電機、凈化空氣的作用。現(xiàn)代吸塵器在附件上變化多樣，為清除地毯污物設計出了粗毛刷、細毛刷、轉(zhuǎn)動毛刷，清理墻角用的是扁形管嘴、清理地析板用磨光刷等。雖然現(xiàn)代吸塵器在功能與清潔效率上與早期吸塵器相比有了巨大提升，但其原理基本保持沒變，現(xiàn)在掃地機器人的清掃系統(tǒng)也基本沿用了這種結(jié)構(gòu)。
掃地機器人的誕生——Electrolux Trilobite
真空吸塵器已經(jīng)誕生了一個世紀之久，但是它的繼承者掃地機器人卻出現(xiàn)了不到20年。世界上第一臺量產(chǎn)型掃地機器人的原型出現(xiàn)于1996年，叫做“三葉蟲”(Trilobite)，它由瑞典家電巨頭伊萊克斯(Electrolux)制造，因為其新奇性，英國BBC電視臺的科學欄目《明日世界》（Tomorrow's World）曾在1996年5月播出的一期節(jié)目中介紹過它。直到2001年，Trilobite才被推向市場，并成為史上第一款量產(chǎn)的掃地機器人。
Trilobite通過超聲波探測躲避障礙，同時幫助它構(gòu)建房間地圖。事實上第一代Trilobite對有些障礙物并不能很好的規(guī)避，第二代版本中加入了紅外傳感器，才使它規(guī)避障礙物能力有了很大的提升。在使用前，必須在房間門和樓梯盡頭貼上磁條作為無形的墻壁阻止機器人的前進，防止機器人墜落或誤入其它空間。Trilobite每次充電后可以運行60分鐘，分三個擋位運作：正常、快速和點清理，吸塵器充滿垃圾時還會發(fā)出燈光警告。它的高度只有13厘米，可以鉆到桌子和床底下清理。由于其清掃過程完全自動，使用者可以把它留在家里清理房間，自己出去輕松消遣。
英國科技公司Dyson曾于2001年設計了一款名為DC06的掃地機器人，但因為價格過于高昂，并沒有推出市面。
掃地機器人嶄露頭角——iRobot Roomba
毫無疑問，iRobot公司于2002年9月推出的Roomba是掃地機器人發(fā)展史上的里程碑式事件。iRobot公司由MIT計算科學與人工智能實驗室的三位師生創(chuàng)建于1990年，與Electrolux本身就是吸塵器巨頭不同，iRobot是一家徹底的機器人公司，創(chuàng)建之初的十年一直專注于軍用機器人市場。
Roomba適用于木質(zhì)地板、瓷磚、防水地毯和中短毛地毯，有S、M、L三種模式，分別對應小、中、大三種不同的清掃面積。它啟動后會循螺旋狀運轉(zhuǎn)，并逐漸擴大螺旋形方式來涵蓋整個空間，一旦碰到墻壁或其他大型障礙物時，其特殊的障礙物感應調(diào)節(jié)器就會抵住墻面保護機身不受損害，同時沿著墻壁開始清潔。當清潔過一部分空間后，Roomba會轉(zhuǎn)過90度，按以上的方式清潔房間的另一端，通過交叉、重復螺旋運轉(zhuǎn)的路線清潔。由于其強勁的清掃能力和便宜的價格，Roomba一推出市場便獲得了巨大的成功，原本預計生產(chǎn)10,000至15,000部，但發(fā)售后大受市場歡迎，單是圣誕期間已出售50,000部。
Roomba系列掃地機器人的成功，讓iRobot公司迅速成為市場的領(lǐng)導者，同時也讓其它公司看到了巨大的商機，眾多企業(yè)紛紛進入掃地機器人市場，并推出了各種型號的掃地機器人。這一方面促進了掃地機器人數(shù)量上的增長，另一方面也促進了其質(zhì)量上的提升。
如今掃地機器人已逐步從原來的隨機清掃發(fā)展到當前的路徑規(guī)劃式清掃中來，如果說原來的掃地機器人首要任務是功能實現(xiàn)的話，現(xiàn)在的主要任務已經(jīng)變成質(zhì)量和效率的提升了?，F(xiàn)在比較著名的路徑規(guī)劃式掃地機器人主要有Neato，Dyson 360eye和iRobot的Roomba980。
Neato掃地機器人于2010年推出，使用一個可以360度旋轉(zhuǎn)的激光測距儀掃描周圍的環(huán)境并進行即時定位與環(huán)境地圖構(gòu)建（SLAM），在此基礎(chǔ)上進行合理規(guī)劃清掃路線。Neato還可以進行斷點記憶恢復，當它因電量不足而自動返回充電完畢后，可以從上次返回的斷點接著進行清掃。
著名傳統(tǒng)吸塵器品牌Dyson十幾年前的掃地機器人計劃失敗后，終于在2014年重返掃地機器人市場，推出了高端掃地機器人360Eye。它利用頂部搭載的攝像頭全方位觀測并分析周圍環(huán)境，利用算法得出房間的地圖和做出導航，并根據(jù)前后圖像中各個地標的位置變化來判斷當前的移動路線，并對其所構(gòu)建的環(huán)境模型進行更新與調(diào)整。
去年，iRobot新推出了最新款的掃地機器人Roomba 980，在這款新產(chǎn)品中iRobot運用了最新的iAdapt 2.0尋路導航技術(shù)，它的最重要組成技術(shù)是VSLAM視覺定位與建模技術(shù)。在Roomba980的頂端，安裝著一個大約斜45度的攝像頭，拍攝到的圖像經(jīng)定位算法進行處理，識別出其中的特征。這樣在程序運行時，機器人會一邊建立環(huán)境地圖，一邊同時估計自身在環(huán)境中的位置。進而實現(xiàn)精準的清掃路徑，達到高水平的清潔覆蓋率。
雖然出現(xiàn)了僅有十幾年的時間，但是可以非常明確地看到：掃地機器人的技術(shù)更迭經(jīng)歷了兩大階段：
（1）掃地功能化完善階段，掃地機器人的核心需求是完成掃地動作，如果最基礎(chǔ)的需求不能滿足，那么其存在的價值就會削弱，因此早期的掃地機器人主要圍繞完善清掃系統(tǒng)而進行的；
（2）清掃智能化，掃地機器人是要替代人的行動，需要對家庭環(huán)境進行識別感知，因此一些附加的智能化技術(shù)開始融入掃地機器人，比如防撞功能、防跌落功能、路徑規(guī)劃導航技術(shù)、APP遠程控制等。
掃地機器人仍然屬于新興行業(yè)，現(xiàn)在制約掃地機器人發(fā)展的一個重要問題是，機器人在尋路和返回基座充電時仍會出現(xiàn)偶爾失敗，導致清掃不徹底或者無法返回。另一個問題是，受限于較小的體積，掃地機器人功率較小，清掃能力還不能和吸塵器相比。若能順利解決這兩大問題掃地機器人將迎來新的發(fā)展機遇，而廣大消費者也將享受更加便利的生活，從枯燥的家務勞動中解放出來。
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