扫地机器人的工作原理/硬件构成/发展前景？

我们先通过下图了解下扫地机器人的家庭普及率：

2015-2019年扫地机器人销量|数据来自奥维罗盘

扫地机机器人兴起的时间并不长，从2015年开始爆发，到2019年，中国市场扫地机器人销量接近450万台/年。

扫地机器人属于城市年轻家庭非常欢迎的产品，更主要要的是，它真的可以做好家务。美国扫地机机器人的家庭渗透率最高，2018年达到16%。中国扫地机器人的渗透率略低。

2018年扫地机器人渗透率|数据来自GFK

中国扫地机器人的普及率仍然低于5%。从美国的扫地机器人普及率来说，中国仍然有极大的增长空间。

那么售价动辄高达几千元的扫地机器人，成本到底是多少？

要了解扫地机器人的成本构成，咱们就需要先了解清楚：扫地机器人的工作原理，扫地机器人的硬件构成。

 

既然是扫地机器人，我们将这个机器人同人类做对比

1、扫地机器人眼睛，耳朵

如何知道房间是什么样子？房间里柜子，鞋子，床，座椅，人都在什么地方？他能不能知道这些东西都是什么？

扫地机器人的眼睛：就是激光雷达，激光雷达主要用来测量距离和识别物体。

激光雷达的两大功能|图为无人驾驶汽车的激光导航

我们经常能够看到，扫地机器人上面有摄像头。目前SLAM+视觉的导航方式，主要应用在无人驾驶技术上面，例如特斯拉，百度appollo，这些无人驾驶系统上面。这主要原因在于对于CPU的算法和功耗更大。目前扫地机器人的摄像头的主要作用，并不是用来识别物体，而是用来同“主人”沟通中，可以获取到包括面部识别等信息。

识别物体主要还是激光导航传感器。激光导航传感器，主要是构建反射物的轮廓，通过轮廓来对比这个物体大致的现实产品。

扫地机器人的耳朵，其实就是麦克风。这个跟我们常用的SIRI，还有小度，天猫精灵都是一个原理。一个麦克风+CPU芯片中的语音智能算法，扫地机器人就可以跟你对答如流了。

有一些扫地机器人，在距离上面的测距使用的是超声波测距传感器。这个也属于扫地人的耳朵，这个主要用在避障方面。

激光和超声波传感器的位置

在侧边的超声波传感器

跟人的眼睛一样，扫地机器人的激光传感器也是在最高的位置。这个真的是整个扫地机器人最贵的地方。可别不小心损坏了，这玩意换一个也有不少钱。（咱们后面有详细说具体价格）

2、大脑+小脑，也就是扫地机器人的核心处理器：3大核心处理器

核心处理器

市面上面常见的扫地机器人都是使用的ARM架构的处理器芯片。这玩意跟电脑CPU（X86架构）是一个作用。内置的算法以及人机交互的架构都在这里运行。

（1）主控制芯片主要用来做上层应用。包括操作系统及语音，视觉，UI界面交互都是由主控芯片管理，例如小米扫地机器人使用的AllwinnerARMCortel-A7架构的四核处理器。

（2）微控制器主要用来进行路径规划。运行SLAM导航算法，建立房间虚拟三维空间地图。

（3）数字信号处理器。这主要是为控制芯片进行路径规划后，下发指令给执行的电机，包括舵轮（扫地机人前进，转向的轮子），扫地刷的电机，吸尘器的电机，让这些电机工作。

扫地机器人电路板上面的结构件及核心部件|小米扫地机器人

扫地机器人的大脑主要用来规划路径，避障，以及人机交互，例如：人类设定打扫范围，以及语音指导扫地机器人进行打扫，都需要处理器进行处理后，将指令下发到执行机构。小脑属于跟执行层最近的控制区域，例如我们上面说的，后面两个处理器：数字信号处理器和微控制器都是对执行层（电机），进行控制和回馈外部信息的处理器。

下图是小米及TCL等扫地机器人都适用意法半导体的M3微控制芯片作为路径规划的控制芯片。

路径规划的芯片

3、执行机构：电机（无刷电机或者是无刷电机）

扫地机器人执行机构为三种：行走的舵机，扫地的电机，吸尘器电机。扫起来的灰尘被吸入存储区就是扫地机器人的工作过程。

扫地机器人扫和吸的位置

这三个部位的执行机构，行走电机和扫地的电机一般采用有刷电机，速度慢，出力大。吸尘器电机一般都采用无刷直流电机，转速高，体积小，无刷电机在高速转动中可以产生1500pa以上的吸力。

有刷或者无刷电机

扫地机器人的有刷电机和无刷电机的区别？

从成本上面考虑，无刷电机可以做到20000转/分钟——12万转/分钟（这个就是戴森那个网红吹吹风机的最高转速），无刷做到高转速成本比有刷的要低很多。有刷电机，高转速一般应用在超高精度的精密仪器上面，因为有刷电机想要做到超高速的时候，换向器的磨损就比较严重。能够做到有刷超高速电机的技术，整个行业内都不多。

我们市面上面常见的有刷小马达，那个转速都比较低，一般都在一万转一下，价格非常便宜。一个就几块钱，甚至低于1块钱。

扫地机器人想要达到大吸力，使用无刷直流电机属于非常合适的选择。并且伴随着2010年后，空心杯电机的绕线机技术专利保护达到有效期失效以后，国内深圳，东莞一代做无刷直流小电机的厂商多达上千家。所以无刷电机的价格也下来了。

如果有兴趣的可以去找一个MAXON，冯哈伯电机了解一下，这都是给火星探测车，造无刷电机的品牌。（这个涉及的内容就跟扫地机器人不太相关了，不细说了）。所以说，买扫地机器人的时候，不用过于纠结有刷电机和无刷电机。

 

从原理上面来说，扫地机器人的核心在于：激光导航+路径规划+扫地和吸尘的能力。

所以行业内的扫地机器人厂商，核心技术基本上都聚焦在激光导航和路径规划上面，还有会添加一些人性化的设计，例如语音互动等等。整个扫地机器人的硬件构成就可以用一张图浓缩一下。

 

扫地机器人硬件构成|图来自小米社区

4、扫地机器人发展前景

扫地机器人目前已经成为家庭广受欢迎的产品。在未来大量的城市家庭智能化程度更高，扫地机器人势必会成为必备品。