Domestic Robotics
The dream of having a robot in everybodyrsquo;s home is as old as the word robot itself. In Karel Capekrsquo;s famous play Rossums Universal Robots there was already a commercial advertising for a personal robot:“hellip;Cheap labor.Rossumrsquo;s Robots. Robots for the tropics. 150 dollars each. Everyone should buy his own robot. Do you want to cheapen your output? Order Rossumrsquo;s Robots.”
Vacuuming the house, cleaning the kitchen and the bathroom, cleaning up the chaos in the childrenrsquo;s playroom, loading and unloading the dishwasher or the laundry machine, polishing the shoes, doing the ironing, stowing away the content of the shopping basket: the list of applications of robots in our homes seems endless. So the question seems appropriate: where are all these smart mechanical helpers that can take care of all these unpleasant tasks? Isnrsquo;t there a huge market for such devices? Almost everybody would buy one.
There is good news and there is bad news regarding these questions. The good news is: domestic robots are coming. The bad news is: they are coming very slowly, some of them may be more expensive than many people would like, and most of them will not be the 100% substitute of a robot housemaid or butler, which everybody would like to have.
In this chapter, we will present the state of the art in domestic robotics. We will describe some of the most recent developments in domestic cleaning robotics and a number of other smart appliances, including robotic lawn mowing, ironing robots, and digital wardrobes. We also include a section on smart homes. This may be considered as a borderline area of domestic robotics. However, since smart homes often use sensor, actor, and communication technologies which are very similar to that in regular domestic robotics, it is certainly more appropriate to include this topic rather than to exclude it.
Ideally, we would not only present the latest developments in all of the applications and areas above, but also look deeper into the task context, the economic context and market situation, and the fundamental technical problems and challenges. Ideally, we would also identify the emerging key technologies for each of these areas. This may, however, get a bit out of hand and also lead to many redundancies. For example, the technical problems and challenges for domestic cleaning are not that different from the problems for robotic lawn-mowing. The same holds for the economic situation. So for the sake of a comprehensive treatment we provide a deeper investigation of these problems only for domestic cleaning robotics and confine ourselves to a report on the latest developments for the remaining applications.
Furthermore, since domestic cleaning robotics and robotics for professional cleaning are not entirely different subjects, we will try to provide a broader picture of the technical problems and the economic situation covering both areas. We will see that, especially for professional cleaning robots, the market analysis is somewhat easier to capture, since there are better statistics and more concise business models. Domestic cleaning and domestic robotics in general is still a bit of a gadget market, which is difficult to analyze and predict. So, the excursion to the professional application, while we are contemplating the more economic aspects of domestic and cleaning robotics, may be forgivable.
A discussion on the technology push, the market pull, and the pitfalls in which technology and business developers can easily be trapped concludes this chapter.
- Cleaning Robots
On an abstract level, the task appears always the same: clean some workspace in the presence of obstacles. The instantiations of cleaning task, however, may differ significantly from environment to environment and from task context to task context. Assume, for example, the task is to clean a swimming pool. Most swimming pools have a rather simple geometric shape – most of them are rectangular – and hence the cleaning task is straightforward to automatize. Using odometry or some low-cost digital compass the pool cleaner should be able to sense and control its orientation and position. Area coverage is a matter of meandering between the walls at the bottom of the pool until the device is turned off or the battery is empty. Obstacle avoidance is mostly unnecessary in such a setting. Not surprisingly, automatically guided pool cleaners are well-established products, which have been on the market for many years. They are not always called robots though.
Now assume a large facility such as a shopping mall or a hospital or an airport with several floors, endless, narrow and cluttered hallways and with many people moving around. Cleaning such an environment is apparently a different story. The cleaning robot most likely has to face an arbitrarily structured and cluttered three-dimensional environment extending over many rooms and possibly over many floors and levels. Optimal navigation and operation basically requires 3-D sensing and 3-D modeling. How else should the robot be able to account for 3-D obstacles and navigate in a collision-free manner. Also area coverage becomes significantly more difficult.
The operation and maintenance of large facilities such as airports, shopping malls, or hospitals often involves work flows with a very tight schedule. Often the facilities are large enough to employ a fleet of cleaning robots rather than just one. Fleet management and multirobot coordination are required for optimal execution of the cleaning task. This is even more so when time matters and cleaning has to take place within small time windows. So the use of cleaning robots in such facilities means more than just turning on an off the robots and charging the batteries. It requires a careful integration of the automated service into a sensitive set of work flows.
The above two instances clearly
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家庭机器人
在每个人家里，梦想拥有一台机器人就像机器人这个词一样久远。在卡雷尔·恰佩克的名剧“Rossums通用机器人”，已经有一个个人机器人的商业广告：“hellip;廉价劳动力Rossum的机器人。机器人热带。每个150美元。每个人都应该买一个自己的机器人。你想减少你的输出吗？订购Rossum的机器人吧。”
给房子吸尘，打扫厨房和卫生间，清理儿童游乐室的混乱，装载和卸载洗碗机或洗衣机，檫鞋，做熨烫，帮忙购物：在我们的家庭中，机器人的一系列应用似乎无穷无尽。所以问题很恰当：所有可以处理这些令人不愉快任务的智能机械帮手在哪里？难道没有一个巨大的市场卖这样的设备？几乎每个人都会买一个。
关于这些问题，有好消息和坏消息。好消息：家庭机器人要来了。坏消息：他们来的很慢，他们中的一些可能比很多人想的更昂贵，并且他们大多不会是人人都想拥有的一个机器人保姆或管家的100％替代。
在这个章节，我们将展示家庭机器人的技术发展水平。我们将介绍一些家庭清洁机器人的最新发展和其他一些智能家电，包括机器人草坪修剪，熨烫机器人和数字衣柜。我们也会涵盖一部分的智能家居，这可以被认为是家庭机器人的一个边缘区。然而，由于智能家居经常使用传感器，参与者，和通信技术，这是与常规的家庭机器人非常类似的，它当然是更合适去涵盖这个主题，而不是排除它。
理想情况下，我们不仅会展示所有应用和上述领域的最新发展，也会更深入工作背景，经济环境和市场情况，以及基本的技术问题和挑战。理想情况下，我们也会确定了每个领域新兴的关键技术。但是，这可能变得有点失控，并导致许多裁员。例如，家庭清洁的技术问题和挑战不同于机器人剪草的问题。这同样适用于经济形势。所以，为了综合处理，我们对只用于家庭清洁的机器人提供了这些问题更深入的调查，并把自己局限在其余应用的最新发展的报告中。
此外，由于家庭清洁机器人和用于专业清洗的机器人并不是完全不同的科目，我们将尽量提供关于技术问题更广阔的视野和涵盖两个领域的经济形势。我们将看到，特别是对于专业清洗机器人，市场分析是比较容易捕捉，因为有更好的统计和更简洁的商业模式。家庭清洁和家庭机器人一般还是有点小工具市场，这就是难以分析和预测的原因。所以，当我们浏览专业的应用，考虑家庭和清洁机器人谁更经济时，我们是可以宽容的。
以技术推动，市场拉动，技术和业务开发人员可以很容易地被困住的陷阱的讨论来结束本章。
清洁机器人
工作和它的环境
工作分析
在抽象层面，工作看上去总是相同的：清理一些工作区中的障碍物。但是，清洁工作的实例可能因为环境和工作背景有显著不同，例如，假设该工作是清理一个游泳池。大多数游泳池有一个相当简单的几何形状——他们大多是长方形的 ——因此清洁的任务很容易自动化。用测距或一些低成本数字指南针，泳池清洁器应当能够感测和控制其方向和位置。在设备关闭或电池为空之前，区域覆盖就是在游泳池的底部的墙壁之间游走的问题。在这样的一个装置中，大多不需要避障设备。不足为奇的是，自动制导水池吸尘器是已为大家所接受的产品，已经上市多年了，虽然他们不总是叫机器人。
现在假设一个大型设施，如商场或医院或有几个楼层和一望无际且狭窄而混乱的走廊的机场，并且有很多人在走动，清洁这样的环境显然是一个不同的事情。清洁机器人很有可能要面对一个任意结构和杂乱三维并延伸到多间客房，或许延伸到很多地板和层次的环境。基本上，最佳导航和运行需要的3-D传感和3-D建模。机器人应该怎样才能在无碰撞的方式下考虑3-D障碍并且导航，很显然区域覆盖也变得更加困难。
大型设施如机场，商场，或经常涉及具有非常紧迫时间流的工作的医院，这些场所的运行和维护。通常这些设施是大到足以雇佣以一船队的清洁机器人，而不是仅仅一个。清洁任务的最佳执行需要的是快速的管理和多机器人协同。当时间要紧，清洁必须在短时间完成时更是如此。所以，在这样的设施中使用清洁机器人不仅仅意味着打开一个关闭的机器人和给电池充电，它要求仔细的自动化服务集成到一套敏感的工作流中。
上述两个实例清楚地说明清洁任务之间的变化，以及在这一点上，我们还没有研究过具体需要和需要清洁的表面的要求。地毯显然需要以不同于硬地面覆盖物，如木材或石头的方式来对待。前者需要被抽真空或刷涂，而后者往往需要湿式清洗。吸尘需要大量的能量，通过电池供电的清洁机器人几乎不可能自主吸尘大面积区域，洗涤需要较少的能量，但通常需要较重的设备，因此机器人也许要携带不可忽视的量的清洁液和脏水。
在下文中，我们已经设法列出一些清洁工作的典型方面：
① 工作空间的密闭度
② 工作空间的复杂度
③ 工作空间的规模
④ 维度
⑤ 表面结构和定位
⑥ 清洁需求
经济背景和市场状况
据1995年，仅在欧洲，专业清洁服务每年花费约和500亿美元，可以预计，这一数字已经在过去的10年里进一步增长了。这500亿美元中大约有78%或39%用于劳动力，而剩下的110亿美元涉及设备，材料和管理费用。总而言之专业清洁是一个巨大的市场。即使一个人能只自动化这些服务中的一小部分，也将是一个数十亿美元或数十亿欧元的业务。这些数字不包括国内市场。在德国仅仅有大约40万个家庭，每家都需要清洁并且每家都有一个吸尘器，其每6-8年就会被替换。如果这些吸尘器中只有15％将会被机器人吸尘器替换，每年就会有1万台的市场容量。
工程师和商务人士很早就意识到了这一潜力并且一直致力于开发清洁机器人差不多20年了。令人惊讶的，在此之前我们并没有看到很多的清洁机器人。显然，一定有一些不仅是技术性质的问题。在展示什么在那里之后，我们将在本章结尾更详细地讨论这些。但是应该被提及的是，当稍微便宜，比洗衣机更像玩具，命名为伦巴的装置在2002年进入市场时，情况显著改变了。
技术挑战
除了确认有意义的业务的经济挑战外，通过机器人完成自动清洁也带来了一些技术挑战。从科学的角度来看，这些挑战似乎是解决了，但很多的解决方案并不比概念靠得住。这些理论上的解决方案基本上是工作在实验室条件下，但并没有受到工业条件或面临实际工作条件下的任何扩展实地测试。希望开发产品的公司往往要重塑这些解决方案，并使其适应工业需求。
下面的列表给出了有关为家庭设计的清洁机器人的固有挑战，以及其专业用途的简短概述。由于清洁机器人大多数发展成为移动地板清洁机器人，下面的列表可能会稍微偏向这个应用。
① 绝对定位
② 在未知的，动态的环境中的区域覆盖
③ 稳定避障的传感器的覆盖
④ 故障恢复
⑤ 安全
⑥ 操作界面/人机交互
⑦ 多机器人协调
⑧ 电源
绝对定位。对于要覆盖数千平方米杂乱工作空间的清洁机器人来讲，知道它的当前位置是至关重要的。无论它已经走了多远，一个清洁机器人必须能够恢复在它有合理精度的工作区中的每个位置。失去其位置的机器人将不能够可靠地执行它的任务。对于客户，这意味着该服务无法被规律和可靠地传递，这是不能接受的。这同样适用于容易成为责任问题的其他可靠性问题。
对于绝对定位问题，有一些解决方案。基于地标位置，使用被动人工或天然地标的估测是一种解决问题的方法。有主动信标的位置估测是另一个方法。这两种方法特别适合于在任意距离下，位置都必须被足够精确估算的应用。
虽然定位技术已经充分成熟，对室内及对户外应用都足以保证可靠的解决方案，但人们明显可以找到比现成的解决方案更靠得住的概念，这更是拥有一个合理性价比的解决方案。在后面的章节我们将简要讨论最近的一些方法，这些方法基于智能传感器网络和可以填补这方面需求的射频识别技术。
值得一提的是，现有的家庭清洁机器人可以几乎完全没有绝对位置信息地运行。但是，如果没有可靠的位置信息，这些机器人不能刻意地移动，它们只能在bang-and-bounce模式下移动，或者执行一些硬编码的运动模式。bang-and-bounce模式意味着该机器人一直处于移动的状态，直到它撞到或者看到一个障碍物，之后掉转头，朝相反的方向移动，这类似于一个球的反弹动作。不过这样一种区域覆盖行为方法的性能比较差。
区域覆盖。覆盖未知动态环境的运动规划和绝对位置估测是系统地清洁工作区的主要功能。覆盖问题——一个天生的几何问题——已在文献中被广泛研究，而且不少有趣的解决方案也被提出，甚至包括了对于未知环境方面。这些解决方案从二维模拟环境到三维现实世界环境的转换是一点儿也不简单的，特别是关于环境感知和检测方式的假设往往远比现实世界要面临的更加理想化。
再次应该注意的是，可用家庭清洁机器人不提供任何他们工作区的系统覆盖。他们将随机运动与硬编码运动模式相结合，以实现某种最小覆盖。鉴于这些装置适度的成本，许多私人客户接受该解决方案。通过随机运动的专业应用覆盖具有更低的接受度，或者它可能完全不会被专业人士所接受。专业清洁与某一种保证覆盖程度有较强的关联性——该程度不需要一定是100%——而且没有随机运动。
传感器覆盖。该机器人周围的综合感知对于安全是必不可少的，无碰撞运动和对于环境未知部分的观察同样是必不可少的。所以，该机器人和周围物体或者附近的动物或人类，以及一个使命或任务的成功完成，他们的安全是十分重要的。这种覆盖不仅意味着该机器人可以观察到其工作区某些小型有限的部分，例如位于地面上方一定高度的二维范围图像，而且有一个感知，能保证它解释每个已知或者未知的障碍或其周边环境的危险因素。从学术角度看，这是又一个几乎解决了的问题。三维传感器覆盖可以通过立体视觉或三维激光测距仪实现。关于这个问题的处理有大量的文献可以参考。
仍有待解决的问题是处于日常条件，包括变化和对抗性照明，很少或没有反射，又或者很少或没有纹理表面以及其他不利的条件下的传感器覆盖。
以上是主要用于专业用途的清洁机器人。私人家庭清洁机器人几乎没有任何传感器，因为一个装置不用花费很多，例如不超过300美元即可，而一个成本为20美元的传感器则是一个非常昂贵的组件。所以增加更多的传感器使机器人更加智能这一行为未必是个好做法，因为这可能会显著提高一个机器人的价格。
故障恢复。每个技术系统都易于发生故障，这似乎是一个基本原理，而且没有任何设计可以避免故障或者解释每个可能发生的故障。我们需要的是一种可以让机器人从可能或频繁的故障或达到故障安全线中恢复过来的机制。一个非常频繁的故障情况就是一个清洁机器人被困在某个障碍物的框架中。控制系统必须能够识别这个并且提供某些逃出的机制或策略。其他常见的故障是错误的传感器读数。机器人应该能够识别，无论它的传感器是否正常地运作。在发生故障的情况下，故障元件应被关闭。
每个机器人都需要能从故障中恢复的能力，不管该机器人是不是清洁机器人。然而，对于一个商业设备，这种能力不仅仅是一个理想的系统性能，而且也有重要的经济方面用途。如果该设备不能从每一次故障中恢复过来，将会导致服务热线的拨打和设备维修及维护的请求。
安全。运行一个自动引导的交通工具，例如在公共环境下的清洁机器人，需要遵守大量的机械指令。例如，根据EN954标准，每个自动引导的交通工具需要一个前保险杠在主要行驶方向上作为人员保护装置。如果该交通工具可以改变其方向，它也需要后保险杠。还有很多其他的指令如ANSI / ASME b56.5-2004或EN1525:1998，这些必须予以考虑和遵循。
鉴于他们的低重量和低功耗，家庭清洁机器人几乎不会为自身或环境创造任何危险。如果他们得到别人的厌恶，他们往往小而轻足以甚至一脚踢开。所以，家庭机器人的安全要求一般低于专业清洁机器人。然而，许多情况下并不是所有可用的家庭机器人都有安全措施来满足比如说EN954。许多有安全措施的机器人将会避免从峭壁或楼梯摔落或者被拿走，被颠倒或带走。
操作界面/人机互动。一种设备操作界面的复杂性对其接受度有较大影响。鉴于清洁设备通常由非技术人员操作，应当取代现有的清洁装置的清洁机器人的操作界面必须考虑那些用户和运营商的需求和期望。如果清洁机器人的使用需要特殊指导，它的使用和接受将会受到严重限制。这表明对于家庭以及专业清洁机器人，操作界面应该更直观，更直接。
这样的结论当然不错但是也不完全正确。任何设备的操作界面应该允许用户提高去他/她使用该设备的技能。它应该允许，但不要求有兴趣的用户或运营商还使用先进的功能，例如设备的先进控制或编程。
这种操作界面的设计也被用于机器人的运行模式所影响。当一个遥控装置可能有一些精密复杂的远程控制包括复杂图形的用户界面时，一个完全自主的机器人可能仅需要一个开关和一个紧急按钮。
多机器人的协调。在板载电源的方面，清洁一个大型工作区或大型设施可能很容易地超过单个机器人的能力,或者是清洁液和其他消耗品,或者是由设施管理施加时间限制。因为清洁大型设施需要使用多机器人自我暗示系统。然而,这就引发了一些问题。
第一个问题就是多机器人的工作规划和协调。因为这个，中央快速的管理是必须的。由这样一个中央快速管理提供的自动化程度可能有很大的不同。快速的管理可能涉及到一个复杂的工作计划，这个计划自动将整个清洁任务和工作区分解成子任务和子工作区，然后分配给单个机器人。在这样的环境下，快速管理也需要控制适当的执行,例如通过监测机器人的位置，并在故障的情况下提供帮助。在一个更少的自动化解决方案中，快速管理仅仅是一个操作员的控制中心，然后，任务分配和监测是由操作员来完成的。
快速管理也可以成为机器人，周围设施和其
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