機(jī)器人已經(jīng)開始在我們的日常生活中發(fā)揮作用，在可預(yù)見的未來，更多的人工智能家用機(jī)器人以及家用人形機(jī)器人將被引入市場。

今年的馬年“春晚”上，人形機(jī)器人就迎來了它的高光時刻，成為春節(jié)假期熱門的話題。比如，在節(jié)目中，人形機(jī)器人“孫子”每天陪伴著奶奶，為她講笑話、唱歌、做游戲。很明顯，這些機(jī)器人不再只是一個科技產(chǎn)品，而是生活中不可或缺的一部分。

事實(shí)上，隨著人口老齡化的來臨，我們迫切需要輔助機(jī)器人來滿足日常所需，從清潔和維護(hù)到家庭安全、健康援助甚至陪伴。通過與智能家居系統(tǒng)集成，這些機(jī)器人有望成為現(xiàn)代家庭的重要組成部分。

在智能家居系統(tǒng)的演進(jìn)過程中，家用機(jī)器人正從單一功能的“工具”向具備自主認(rèn)知、決策與執(zhí)行能力的“家庭成員”轉(zhuǎn)變。從早期的掃地機(jī)器人，到如今結(jié)合了大模型的雙足或輪式陪伴機(jī)器人，其技術(shù)迭代正在重塑未來家庭的生活方式。

適合家用的高級機(jī)器人

在當(dāng)今各種各樣的智能家居機(jī)器人中，既有掃地機(jī)器人、窗戶清潔機(jī)器人、草坪護(hù)理機(jī)器人以及烹飪機(jī)器人等用于家務(wù)勞作的機(jī)器人，也有提供助老、安全、教育等功能的社交和陪伴機(jī)器人。由此也揭示了智能家居發(fā)展方式的決定性轉(zhuǎn)變，即從被動的家居自動化轉(zhuǎn)向可以承擔(dān)復(fù)雜家務(wù)勞動甚至陪伴的輔助機(jī)器人。下面我們就列舉一些當(dāng)前市場較為熱門的、適合家用的高級機(jī)器人。

? 掃地機(jī)器人：清潔地板可能是人們極高頻的家務(wù)之一，這也是為什么掃地機(jī)器人在市場上大受歡迎的重要原因。采用了先進(jìn)技術(shù)的掃地機(jī)器人可以提供無憂的清潔體驗(yàn)，它們通過將完全嵌入的全景dToF LiDAR傳感器與視覺語言模型（VLM）配對來識別其路徑上無限數(shù)量的物體，增強(qiáng)了導(dǎo)航和避障能力，同時通過使用物體的輪廓作為邊緣清潔的參考來極大限度地擴(kuò)大覆蓋范圍。

? 擦窗機(jī)器人：保持窗戶一塵不染是一項(xiàng)耗時的任務(wù)，對于那些住在高層公寓的人來說，還有很大的安全風(fēng)險。機(jī)器人窗戶清潔器因其出色的清潔窗戶的能力而越來越受歡迎，其中的防墜落保護(hù)機(jī)制可確保設(shè)備安全。

? 烹飪機(jī)器人：對于工作繁忙的人來說，每天為家人準(zhǔn)備一頓飯可能是一個挑戰(zhàn)。烹飪機(jī)器人可以幫助準(zhǔn)備飯菜和烹飪?nèi)蝿?wù)，它們按照食譜一步一步地切、攪拌、炒和蒸。通過語音命令，甚至可以調(diào)整烹飪時間、溫度和速度。一些型號還包括用于混合、研磨和稱重的配件，或提供廣泛食譜庫的訪問。

? 社交與陪伴機(jī)器人：社交機(jī)器人是一類備受期待的家用機(jī)器人，它們提供的不僅僅是娛樂，比如與人進(jìn)行對話、玩游戲，甚至幫助老年人完成一些日常家務(wù)。它們內(nèi)置了多個傳感器、攝像頭和麥克風(fēng)，可以對觸摸、聲音和視覺線索做出反應(yīng)，甚至可以讀取我們的面部表情，感知情緒，就像人類一樣互動。目前，它們有各種形狀和形式，有類人型也有毛茸茸的機(jī)器人寵物，被廣泛應(yīng)用于兒童發(fā)展、自閉癥治療和成人護(hù)理等。

? 教育機(jī)器人：進(jìn)入數(shù)字時代，教育機(jī)器人可以互動和引人入勝的方式向孩子們介紹編程和STEM概念。與學(xué)校的傳統(tǒng)教學(xué)方法不同，這些智能設(shè)備根據(jù)每個孩子的能力量身定制內(nèi)容，并提出不同的活動、游戲和挑戰(zhàn)。通過實(shí)踐學(xué)習(xí)，學(xué)生構(gòu)建、編程和與機(jī)器人互動，加深對STEM原理和應(yīng)用的理解。

自主家用機(jī)器人中的視覺方案

家用機(jī)器人能夠在復(fù)雜的家庭環(huán)境中穿梭并完成任務(wù)，主要?dú)w功于其底層硬件傳感器與軟件算法的深度融合。從“感知環(huán)境”到“物理交互”，傳感器和雷達(dá)構(gòu)成了機(jī)器人認(rèn)知現(xiàn)實(shí)世界的基礎(chǔ)。借助傳感器融合，自主家用機(jī)器人將多個來源的數(shù)據(jù)組合在一起以克服任何單個傳感器的局限性，使得機(jī)器人能夠以高精度和安全性在繁忙的廚房或雜亂的走廊等復(fù)雜、動態(tài)的環(huán)境中導(dǎo)航。

在探討家用機(jī)器人的導(dǎo)航與避障時，“純視覺方案”與“激光+視覺融合方案”是目前業(yè)內(nèi)極具代表性的兩條技術(shù)路線。這就好比讓機(jī)器人只依靠“眼睛”去理解世界，還是同時配備“眼睛”和“精準(zhǔn)測距儀”。以下是這兩種主流方案的優(yōu)劣勢對比：

1純視覺方案：無限潛力的“仿生派”

純視覺方案的核心理念是：既然人類只靠兩只眼睛就能在家里活動，機(jī)器人也應(yīng)該能做到。其優(yōu)勢是硬件成本低，非常適合大規(guī)模量產(chǎn)和應(yīng)用下沉。同時，攝像頭能獲取極其豐富的色彩和紋理信息，配合深度學(xué)習(xí)大模型（如端到端的大模型），它的進(jìn)化上限非常高。但這種方案也存在致命的短板，即對算法的魯棒性要求極度苛刻。在面對缺乏特征的白墻、反光嚴(yán)重的鏡子或是光線劇烈變化的長尾場景時，單憑視覺很容易丟失特征點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī)器人迷失方向或發(fā)生碰撞。

2激光+視覺融合方案：更穩(wěn)妥的“實(shí)用派”

該方案是目前中高端家用機(jī)器人（如旗艦掃地機(jī)、機(jī)器狗）的主流配置。視覺主攻“這是什么”，激光主攻“這在哪里”。其核心優(yōu)勢在于提供了極高的安全冗余。激光雷達(dá)的加入，讓機(jī)器人在瞬間就能構(gòu)建出高度精準(zhǔn)的3D空間幾何輪廓。即使攝像頭在暗光下失效，激光雷達(dá)依然能保證機(jī)器人安全行走，不至于撞壞家具或跌下樓梯。不過。這種方案的短板是硬件成本高昂，多傳感器數(shù)據(jù)的“時間同步”與“空間對齊”在工程實(shí)現(xiàn)上也非常復(fù)雜。如果視覺算法和激光點(diǎn)云給出了矛盾的結(jié)果，比如面對一面透明玻璃，視覺認(rèn)為前方暢通，激光認(rèn)為有障礙物，“系統(tǒng)該聽誰的”，這極大地考驗(yàn)著廠家的融合算法功底。

綜合來看，純視覺方案代表著AI算法的終極愿景和成本控制的極致，而激光與視覺融合方案則是當(dāng)下為了保障家庭用戶體驗(yàn)、解決長尾痛點(diǎn)而采取的成熟解法。

打造理想的家用機(jī)器人視覺方案

純視覺方案沒有激光測距的輔助，因此對攝像頭的畫質(zhì)、動態(tài)范圍以及運(yùn)動捕捉能力要求極其苛刻。機(jī)器人走動或快速轉(zhuǎn)頭時，普通的手機(jī)攝像頭（卷簾快門）會產(chǎn)生“果凍效應(yīng)”，導(dǎo)致畫面拉伸變形，這會讓視覺SLAM算法直接崩潰。

OmniVision的OV9281 / OV7251全局快門（Global Shutter）傳感器能瞬間“凍結(jié)”運(yùn)動畫面，提供毫無畸變的圖像，是目前純視覺無人機(jī)和機(jī)器人的標(biāo)配。OV9281 MIPI相機(jī)模塊提供1280 x 800像素和1MP分辨率，非常適合多相機(jī)應(yīng)用，包括移動和分布式應(yīng)用。

OV7251是一款小尺寸、低功耗CameraChip傳感器，它使用全局快門來減少或消除傳統(tǒng)滾動快門圖像傳感器在圖像捕獲過程中因運(yùn)動而產(chǎn)生的不必要的圖像偽影。該傳感器的全局快門和出色的低光靈敏度使其可用于任何需要手勢檢測、頭部和眼睛跟蹤以及深度和運(yùn)動檢測的應(yīng)用，緊湊的外形更使其成為空間受限應(yīng)用的極具吸引力的相機(jī)解決方案。OV7251具有多種低功耗模式，包括光感測模式和超低功耗待機(jī)模式。在光感測模式下，OV7251的行為類似于環(huán)境光傳感器（ALS），僅當(dāng)檢測到光線變化時，才會將傳感器從“睡眠模式”喚醒。同樣，在超低功耗模式下，傳感器可以降低分辨率和幀率，以進(jìn)一步降低功耗。

低功耗CameraChip傳感器OV7251系統(tǒng)框圖（圖源：OmniVision）

onsemi在機(jī)器人領(lǐng)域積累深厚，其傳感器對近紅外光（NIR）具有極高的靈敏度，如果純視覺方案在夜間需要依靠補(bǔ)光燈（人眼不可見的紅外光）來工作，AR0234CS芯片能捕捉到極其清晰的黑白圖像。AR0234CS是擁有200萬像素的CMOS數(shù)字圖像傳感器（CIS），具有1/2.6英寸的尺寸和1920 x 1200像素陣列，采用創(chuàng)新的全局快門像素設(shè)計，以每秒120倍幀的精確捕獲，可在各種照明條件下提供清晰的低噪聲圖像。該傳感器具有高級攝像頭功能，如自動曝光控制、窗口、行和列跳過模式、像素分檔以及視頻/單幀模式。它可通過簡單的兩線串行接口進(jìn)行編程，提供清晰、鮮明的圖像，具有出色的全局快門效率。

在激光+視覺融合方案中，除了需要上述的CIS攝像頭，還需要激光雷達(dá)的助力?，F(xiàn)代家用機(jī)器人已經(jīng)很少使用笨重的機(jī)械旋轉(zhuǎn)雷達(dá)，而是轉(zhuǎn)向高度芯片化的固態(tài)方案。

STMicroelectronics的VL53L8 / VL53L5系列多區(qū)dToF傳感器是目前中高端掃地機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“貼邊清掃”和“近距離毫米級避障”的秘密武器。它體積僅有指甲蓋大小，卻能提供8x8（64個區(qū)域）的獨(dú)立深度測量，非常適合作為中遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)的“近場盲區(qū)補(bǔ)充”。

其中，VL53L5CX是該公司FlightSense產(chǎn)品系列中的飛行時間（ToF）多區(qū)測距傳感器。不同于傳統(tǒng)的IR傳感器，VL53L5CX能夠測量目標(biāo)的絕對距離，而不受目標(biāo)顏色或反射率的影響，可提供高達(dá)400cm的精確測距，并能以60Hz的速度運(yùn)行，是目前市場上速度最快的多區(qū)微型ToF傳感器之一。

VL53L8CX集成了功能強(qiáng)大的新一代VCSEL以及兩個先進(jìn)的超表面鏡頭，硬件封裝在創(chuàng)新的一體化模塊中，適用于廣泛的高性能應(yīng)用場景，如手勢識別、機(jī)器人SLAM等多種用途。VL53L8CX采用STMicroelectronics的專利算法，可以檢測和跟蹤視場內(nèi)的多個目標(biāo)，具有64區(qū)域深度測量能力。此外，由于VL53L8CX的VCSEL發(fā)射的是940nm完全不可見紅外光，具有1級認(rèn)證，對眼睛是安全的。

VL53L5多區(qū)dToF傳感器應(yīng)用原理圖（圖源：Mouser）

本文小結(jié)

隨著技術(shù)的成熟，家用機(jī)器人將在智能家居生態(tài)中扮演更加多元和不可替代的角色。未來的家務(wù)機(jī)器人將突破“只掃不理”的局限，它們不僅能打掃地面，還能自主完成桌面整理、衣物收納、甚至簡單的烹飪備菜，還可以根據(jù)不同家庭成員的生活習(xí)慣，主動規(guī)劃清掃時間和方式。

在“居家養(yǎng)老”趨勢下，機(jī)器人將成為不可或缺的照護(hù)助手，它們可以進(jìn)行用藥提醒、步態(tài)分析以預(yù)防跌倒，并在老人發(fā)生意外時第一時間識別并自動呼叫救援。部分機(jī)器人還能提供物理輔助，如協(xié)助起身或取物。

現(xiàn)代機(jī)器人大多配備了人工智能（AI）和高科技傳感器，通過Wi-Fi或藍(lán)牙連接實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和與環(huán)境的互動，這些機(jī)器人背后的技術(shù)使它們能夠通過自動化和數(shù)據(jù)驅(qū)動的學(xué)習(xí)提高效率。例如，掃地機(jī)器人使用攝像頭和傳感器掃描和收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，而它們的AI算法則創(chuàng)建虛擬地圖并規(guī)劃繞過障礙物的優(yōu)化路線。未來，機(jī)器人將更多地融入智能家居生態(tài)系統(tǒng)，提供增強(qiáng)的功能和自動化。