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产业观察 | 扫地机器人:未来的King of AI?

服务机器人取代人类完成部分日常生活劳动成为必然趋势。其中,扫地机器人能够承担普通家庭地面清洁的高频任务,受到消费者青睐。广阔的市场空间和愈发多元的应用场景推动着扫地机器人产品不断升级。

图片来源:iRobot官网

扫地机器人的升级之路

1898年,美国的约翰·瑟曼圣易路斯,提交了一份关于地毯吸尘器的专利(US No.634042),这成为可追溯的最早的扫地机器。依靠压缩空气将灰尘吹入容器,该机器的效果并不怎么好,但顾客仍要提供4美元/次的上门清洁服务费。直到1901年英格兰人布斯对扫地机器进行了改良,利用电动抽风机进行真空抽吸,扫地机器才真正走上了真空时代。

图片来源:天极网

人们通常认可的世界上第一台扫地机器人是1996年由瑞典家电巨头伊莱克斯制造的名为“三叶虫”(Trilobite)的扫地装置,至今已有23年历史。这款扫地机器人采用了仿生技术超声波,如同蝙蝠可以敏捷迅速地感知并绕开障碍物。“三叶虫”采用单滚刷式清洁方式,具备无电自动回充以及防跌落功能。1997年,BBC节目“明日世界”展示了该产品,直到2001年11月,第一个成品才走向市场。虽然,初代的“三叶虫”扫地速度慢、体型厚重,但之后的智能扫地机器人基本延续了其圆形碰撞式设计,可谓是扫地机器人的先驱。

扫地机器人技术不断变革,按照路径规划模式可以划分为四个阶段。伊莱克斯的“三叶虫”和2002年iRobot 推出的Roomba 扫地机器人处于第一阶段,主要是随机碰撞式清扫。2010年,Neato推出了使用自动驾驶与激光导航技术结合的吸尘机器人,通过构建二维地图实现清扫路径智能规划,清扫效率大幅提升,这开启了扫地机器人的第二阶段。第三阶段代表产品是2014年Dyson推出的360 Eyes,扫地机器人搭载了摄像头,对环境进行全方位的拍摄并分析,VSLAM图像位移定位导航让扫地机器人“看”到更真实的世界。随着人工智能技术的发展,语音识别、图像处理等技术与高精度传感器的深度融合,将使得扫地机器人进入智能化阶段。

图片来源:企业官网,华夏幸福产业研究院整理

扫地机器人原理与技术

扫地机器人是集合自动化技术的可移动智能化产品,与装备有集尘盒的真空吸尘装置,配合机身设定控制路径,在室内反复行走,实现沿边、集中、随机、直线等路径打扫,并辅以边刷、中央旋转主刷、抹布、紫外线除菌等方式加强打扫,完成拟人化居家清洁效果。扫地机器人需要完成4个基本的任务步骤,即定位、构图、规划、清扫。

扫地机器人完成基本任务依靠的是装置软硬件结合。目前来看硬件部分比较固定,制造难度不大,软件部分升级较快,智能产品的优化算法要求较高。

首先看硬件部分,扫地机器人主要包含控制单元(处理器)、感知单元(多类传感器)、移动部件(电机+驱动轮+万向轮)、清洁系统(毛刷+吸尘器)、电源装置(电池+充电座)。

➤控制单元是扫地机器人的“大脑”,目前已由单片机升级为AI芯片处理器,快速的数据处理能力确保实现智能的全局规划。

➤感知单元是扫地机器人的“眼睛”和“触手”,通常使用加速度计、陀螺仪、超声波测距仪、激光雷达测距传感器、红外线传感器以及CCD摄像机等,确保扫地机器人精准获取周围环境信息。

➤移动部件是扫地机器人的“双脚”,旋转电机为驱动轮提供行走动力,万向轮则调整行驶方向。

➤清洁系统是扫地机器人最主要的功能部件,通常是边刷和滚刷等进行联合清扫,吸尘器进行垃圾吸收。

➤电源系统是扫地机器人工作的能量来源,锂电池正逐渐取代铅酸电池成为优先选择。

图片来源:科沃斯DN3说明书

其次看软件部分,扫地机器人的软件系统主要是实现多传感器信号、地图与空间规划算法、物联网技术以及语音/图像等AI技术的融合。扫地机器人由较早的随机碰撞式进阶为自主规划式。随机碰撞式依赖超声波传感器、碰撞传感器数据与软件系统中碰撞算法结合,并无明显清扫规律,重复度较高,清洁效率很低。而利用SLAM算法的自主规划式,可以对环境进行构建和记忆,保证清扫全面不遗漏。从高效率完成清扫任务角度来看,地图构建和路径规划能力已成为各类扫地机器人主推的核心竞争力。

图片来源:公开资料,华夏幸福产业研究院整理

近几年,扫地机器人技术相对成熟,成为消费者广泛青睐的智能家居产品。2017年,我国扫地机器人销量近400万台,销售额达56.7亿元。据中商产业研究院数据预测,2019年我国扫地机器人销售量将达530万台,销售额将近74亿元;2017-2019年,国内扫地机器人销售量增速将超过15%。由于国内扫地机器人行业起步较晚,渗透率尚处于较低水平(沿海城市5%,内陆城市渗透率仅为0.4%,远低于美国的16%),未来国内市场增长空间巨大。

国内扫地机器人市场规模及销量

数据来源:观研天下,华夏幸福产业研究院整理

国内市场广阔,但同时竞争异常激烈。国内外扫地机器人品牌众多,2017年,在天猫线上平台销售的扫地机器人品牌达 160 多个,包括科沃斯、iRobot、石头、戴森、海尔、小狗、浦桑尼克、福玛特、美的等。

世界是iRobot的,中国是科沃斯的

说到扫地机器人,就不得不说iRobot。1990年,MIT机器人专家Colin Angle、Helen Greiner和Rodney Brooks共同创立了iRobot,起初研发军用机器人,通过在硬件设计、传感器等方面的先进技术积累,目前在全球已有超过1000多项专利。2002年,iRobot推出了Roomba系列扫地机器人,开启了“边刷+滚刷+吸尘口”三段式清扫结构时代。到目前为止,iRobot已在全球范围内售出了2500多万台,成为全球高端市场的绝对龙头。2017年,iRobot扫地机器人全球高端市场占比62%,北美市场80%以上,欧洲市场70%,亚洲市场相对较小。

全球扫地机器人市场格局

数据来源:Gfk、太平洋研究院

而在中国,说到扫地机器人,大家首先想到的是科沃斯。科沃斯创建于1998年3月,从代工起家,为众多国际知名品牌生产、加工成型的清洁类小家电产品。而就是这么一家代工企业,经过20年的技术沉淀,已于2018年5月登陆上证所主板,成为全球知名的家庭服务机器人制造商之一。按3月27日收盘价,科沃斯总市值238亿元,公司2017年营业收入45.5亿元,2018年前三季度营业收入37.5亿,同比增长28.2%。从线上和线下两种渠道来看,科沃斯市场份额几乎占据国内的半壁江山,是中国绝对的扫地机器人龙头企业。2018“双11”狂欢节,科沃斯机器人全渠道成交额超7亿元,同比增长超35%,线上市场份额为51.4%,剩余份额被iRobot、小米、石头等品牌瓜分。

2015-2017年科沃斯扫地机器人在国内线上线下渠道市场份额

数据来源:北京中怡康时代市场研究有限公司

2018年“双11”扫地机器人线上市场份额占比

数据来源:广证恒生,华夏幸福产业研究院整理

iRobot的Roomba系列、科沃斯的地宝系列分别是两家龙头企业的主营产品,引领着扫地机器人的技术潮流。

iRobot重点选择VSLAM路线,在地图绘制和导航、人机交互以及物理解决方案等领域的技术开发上都走在最前端。2018年9月发布的Roomba i7+,具备进阶版三重高效清洁系统、Imprint智能规划功能以及Clean Base自动集尘充电座三大特点,被美国《时代》杂志评选为“2018年度最佳发明”之一。该产品3月份进入中国市场。

科沃斯布局了SLAM和VSLAM,Smart Move技术(路径规划技术)是其全线扫地机器人产品由随机式向规划式过渡的核心技术,扫地机器人产品都向着规划式转型,这也促使扫地机器人行业整体转向规划式产品研发。2018年5月上市的DN55升级到了Smart Navi 2.0,通过激光雷达测距传感器完成室内布局信息获取,也可以通过连接ECOVACS HOME APP来实现实时建图。

iRobot和科沃斯新款扫地机器人参数比较

数据来源:iRobot,科沃斯,天猫

适合自己的才是最好的

质量安全问题依然是亟待解决的难题。2017年,国家质检总局对江苏、浙江、湖北、湖南、广东等5个省19家企业生产的19批次吸尘器(扫地机器人)产品进行了质量抽查,包括产品的对触及带电部件的防护、输入功率和电流、发热、工作温度下的泄漏电流和电气强度、耐潮湿、泄漏电流和电气强等16个项目。结果发现有3批次产品不符合标准规定,不合格率达15.8%。

洁净能力一直是扫地机器人最重要的衡量指标。2018年4月,中国消费者协会对市场上销售的二十款扫地机器人产品开展了比较试验。结果表明,各品牌扫地机器人在表中7项关键指标上各有优劣。扫地机器人的价格和性能并不成正比。消费者可以根据室内环境和污染物类型等来选取合适的扫地机器人,并非价格越高的产品效果就更好。

20款扫地机器人比较试验结果一览表

资料来源:中消协,华夏幸福产业研究院整理

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