服务机器人的自主移动专利技术分析

服务机器人是一种半自主或者全自主工作的机器人，现有的服务机器人主要分为家用和公共服务两类，能够完成对人类健康有益的各种服务工作，其中，具有自主移动能力的服务机器人在智能化和工作效率方面都有显著优点，已经越来越广泛地应用于生活中。

为了能够全面、准确地反映出能自主移动的服务机器人的现状及其发展趋势，本文将以中国专利文摘数据库（CNABS）和外文数据库（VEN）为文献数据来源，进行全面统计分析。

通过检索可知，能自主移动的服务机器人种类繁多，涉及到生活的方方面面，如扫地机器人、管家机器人、监控机器人等，且移动功能通常需要配合相应的机械结构来实现，因此能自主移动的服务机器人领域专利所涉及的技术点主要集中于位置控制，同时也涵盖了吸尘器、监视器和机械结构等多个方面。

笔者通过阅读检索到的文献，发现：能自主移动的机器人涉及的关键技术即为导航。导航是指机器人通过处理各个传感器信息，获取自身位置信息，躲避探测到的障碍物，最终到达目标位置的自主运动。导航问题可以归结为对定位、目标识别和路径规划三个问题的答复。

导航一般包括已知环境的导航和未知环境的导航。已知环境的导航又通常有两种方式，接收环境地图并进行路径规划，以及通过学习在已知环境中进行路径规划。对未知环境的导航通常首先需要建立地图，再基于所构建的地图进行导航。

基于地图的导航系统可以为三大类：非视觉传感器的导航系统、视觉传感器的导航系统、组合导航。非视觉传感器导航由于不需要考虑环境光线条件等因素，所以获取的数据比较稳定，应用十分广泛。视觉传感器导航可以实时处理捕获的视觉信息，但是容易受到光线等条件的影响。而组合导航融合了以上两种方法的优点。

发展阶段

检索文献可知，机器人的自主移动技术的发展大概经历了三个阶段。

首先是萌芽阶段。在1985年左右，最早的自主移动的机器人移动方式单一，以清洁机器人为例，一件专利公开的移动路径通常是采用直线，另一件专利公开了一种螺旋前进的方式，早期的移动路径均是诸如此类的简单方式。此时的机器人还具有防撞装置，以避免在撞上障碍物时损坏或者无法继续移动。同时，当机器人电力消耗殆尽之前，能够自行返回充电桩，比如某专利公开了一种采用红外的方式引导机器人返回充电装置，另一件专利公开了一种采用超声的方式引导机器人返回充电，此外，还有专利公开了采用激光或视觉的方式使机器人沿规定的路径移动。

其次为发展阶段。在1990年之后，机器人开始具有避障装置，例如，某专利公开了一种采用结构光雷达以及视觉的方式进行避障，另一件专利则公开了一种采用超声进行避障的方式，还有的专利公开了采用超声与激光结合、超声与红外结合的避障方式。而此时的导航还基本上基于对已知环境的导航，一件日本专利（专利号：JPH02282807）公开了处理器接收活动区域地图并且规划路径。在机器人行进过程中，也会根据陀螺仪进行相对定位以此确定是否还在预定路线上，某专利公开了使用陀螺仪进行相对定位。

而在上世纪90年代后期，机器人可以通过视觉传感器或者激光雷达获取环境信息并基于信息建立地图，一件日本专利（专利号：JPH10260724A）公开了由激光扫描建立地图，并在地图的基础上进行导航。地图也由二维地图发展为三维地图，某专利（专利号：JPH11194822）公开了一种构建3D地图的方法，一件西班牙专利（专利号：ES2152171A1）公开了基于视觉、激光传感器获得的信息建立3D地图的方法，一件美国专利（专利号：US5819008A）则公开了一种多机器人协同工作的方式。

再次为完善阶段。2000年之后，技术研发的重点放在对导航中算法的革新中，追求更加完善的地图构建，更加有效的障碍避让以及更有效率的路径规划。比如一件美国专利（专利号：US2009141938A1）采用双目视觉传感器采集环境的信息，一件韩国专利（专利号：KR100611328B）通过SLAM（同时定位与建图）方式建立栅格地图，结合全局路径规划和局部路径规划获得更加灵活有效的导航方式。

技术特点

经由上述对专利文献的分析，我们可以总结出服务机器人的自主移动技术领域的如下特点。

最早的自主移动的机器人移动方式单一，以清洁机器人为例，其移动路径通常是采用直线、沿墙或者螺旋等简单方式，机器人还具有防撞装置，以避免在撞上障碍物时损坏或者无法继续移动。在1990年之后，机器人开始具有避障装置，通常采用超声或者红外、激光传感器或者上述几种方式结合。此时的导航还基本上基于对已知环境的导航，处理器接收活动区域地图并且规划路径，由激光或者视觉的方式使得机器人能够沿事先规定的路径移动。在机器人行进过程中，也会根据陀螺仪进行相对定位以此确定是否还在预定路线上。而在上世纪90年代后期，机器人可以通过视觉传感器或者激光雷达获取环境信息并基于信息建立地图，并在地图的基础上进行导航，地图也由二维地图发展为三维地图。2000年之后，技术研发重点放在对导航中算法的革新中，追求更加完善的地图构建，更加有效的障碍避让以及更有效率的路径规划。

在技术的发展过程中，单一的行动方式、防撞装置都被淘汰，接收地图进行规划的方式也被现场构建地图的方式所取代。构建动态地图、采用局部路径规划方式和全局路径规划相结合的方式也将是今后技术发展的重点。在探测环境及障碍物时，原先单一的传感器被多元传感器所取代，各个传感器的融合和交叉使用无论在避障还是定位领域都有了进一步发展，以后也是发展的趋势之一。

以目前服务机器人的发展速度来看，在不久的将来，各种先进的能够自主移动的服务机器人系统将会进入人类的生活工作的各个领域，实现更加广泛的应用。