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(chǎng)。

今年的馬年“春晚”上，人形機(jī)器人就迎來了它的高光時(shí)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(gè)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(jí)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(dòng)的家居自動(dòng)化轉(zhuǎn)向可以承擔(dān)復(fù)雜家務(wù)勞動(dòng)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(chǎng)較為熱門的、適合家用的高級(jí)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(chǎng)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(duì)來識(shí)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(shí)通過使用物體的輪廓作為邊緣清潔的參考來極大限度地?cái)U(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(shí)的任務(wù)，對(duì)于那些住在高層公寓的人來說，還有很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)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(gè)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(shí)間、溫度和速度。一些型號(hào)還包括用于混合、研磨和稱重的配件，或提供廣泛食譜庫(kù)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(duì)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(gè)傳感器、攝像頭和麥克風(fēng)，可以對(duì)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(dòng)。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(shí)代，教育機(jī)器人可以互動(dòng)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(gè)孩子的能力量身定制內(nèi)容，并提出不同的活動(dòng)、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(dòng)，加深對(duì)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(gè)來源的數(shù)據(jù)組合在一起以克服任何單個(gè)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(dòng)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(shí)，“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(shí)配備“眼睛”和“精準(zhǔn)測(cè)距儀”。以下是這兩種主流方案的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)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?jī)芍谎劬湍茉诩依锘顒?dòng)，機(jī)器人也應(yīng)該能做到。其優(yōu)勢(shì)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(shí)，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(duì)算法的魯棒性要求極度苛刻。在面對(duì)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(zhǎng)尾場(chǎng)景時(shí)，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(shì)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(shí)間同步”與“空間對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(cè)距的輔助，因此對(duì)攝像頭的畫質(zhì)、動(dòng)態(tài)范圍以及運(yùn)動(dòng)捕捉能力要求極其苛刻。機(jī)器人走動(dòng)或快速轉(zhuǎn)頭時(shí)，普通的手機(jī)攝像頭（卷簾快門）會(huì)產(chǎn)生“果凍效應(yīng)”，導(dǎo)致畫面拉伸變形，這會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)快門圖像傳感器在圖像捕獲過程中因運(yùn)動(dòng)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(shì)檢測(cè)、頭部和眼睛跟蹤以及深度和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(cè)模式和超低功耗待機(jī)模式。在光感測(cè)模式下，OV7251的行為類似于環(huán)境光傳感器（ALS），僅當(dāng)檢測(cè)到光線變化時(shí)，才會(huì)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(duì)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(jì)，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(jí)攝像頭功能，如自動(dòng)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(jiǎn)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。現(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(jí)避障”的秘密武器。它體積僅有指甲蓋大小，卻能提供8x8（64個(gè)區(qū)域）的獨(dú)立深度測(cè)量，非常適合作為中遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)的“近場(chǎng)盲區(qū)補(bǔ)充”。

其中，VL53L5CX是該公司FlightSense產(chǎn)品系列中的飛行時(shí)間（ToF）多區(qū)測(cè)距傳感器。不同于傳統(tǒng)的IR傳感器，VL53L5CX能夠測(cè)量目標(biāo)的絕對(duì)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(cè)距，并能以60Hz的速度運(yùn)行，是目前市場(chǎng)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(gè)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(chǎng)景，如手勢(shì)識(shí)別、機(jī)器人SLAM等多種用途。VL53L8CX采用STMicroelectronics的專利算法，可以檢測(cè)和跟蹤視場(chǎng)內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)，具有64區(qū)域深度測(cè)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(jí)認(rèn)證，對(duì)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(jiǎn)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(dòng)規(guī)劃清掃時(shí)間和方式。

在“居家養(yǎng)老”趨勢(shì)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(shí)第一時(shí)間識(shí)別并自動(dòng)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(dòng)，這些機(jī)器人背后的技術(shù)使它們能夠通過自動(dòng)化和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(dòng)化。