廖錚 張凌浩

關鍵詞：點云 三維地圖 體驗設計 掃地機器人 智能清潔

引言

互聯(lián)網(wǎng)時代的大背景下，人工智能（AI）技術、物聯(lián)網(wǎng)技術驅動產業(yè)轉型和消費升級。消費級的服務機器人能夠在家庭環(huán)境中勝任某些簡單的工作，減輕生活壓力，改善人類居住體驗。采用智能服務機器人替代人類完成地面清潔勞動，其目的就是利用機器人自主定位、自主清潔的特性，解放用戶的家務負擔，為客戶提供更優(yōu)質、更舒適的生活體驗。隨著體驗經(jīng)濟的發(fā)展帶動新一輪消費升級，越來越多的家庭也不再滿足于現(xiàn)有掃地機器人的體驗，開始追求高品質、精細化的清潔服務，掃地機器人的競爭從提升吸塵功率、續(xù)航時間向拓展深度清潔、智能交互等方向轉變。

一、研究現(xiàn)狀

（一）掃地機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

1. 基本概念

掃地機器人是家庭清潔功能與服務型機器人概念的結合，是最早進入生活消費領域的智能服務機器人品類?；诂F(xiàn)有機器人產品的概念，本文將掃地機器人定義為：以減輕清潔負擔、提高生活質量為目的，在家庭環(huán)境內工作，掃地機器人的智能體現(xiàn)為具備一定自主行動能力、自主判斷能力、自主學習能力，能夠根據(jù)路徑導航完成設定的清潔任務。AI（Artificial Intelligence）、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等概念深植于工業(yè)制造，推動了整個社會對機器人智能服務的需求，掃地機器人成為智能家居系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)。掃地機器人的創(chuàng)新設計，應致力于多維度地為家居生活創(chuàng)造更舒適、更便捷、更健康、更安全的生活環(huán)境[1]。

2. 掃地機器人設計的發(fā)展現(xiàn)狀

國際機器人聯(lián)合會（IFR）統(tǒng)計指出，2015-2019 年間銷售額持續(xù)增長;在 2016 年后，掃地機器人市場增速放緩。據(jù)《2020中國服務機器人產業(yè)發(fā)展研究報告》顯示，技術創(chuàng)新、內在價值、經(jīng)濟環(huán)境成為驅動機器人發(fā)展的關鍵因素?；诋a業(yè)數(shù)據(jù)及分析報告歸納掃地機器人設計的發(fā)展現(xiàn)狀。

在產品驅動力方面，掃地機器人從早期關注吸力、續(xù)航、越障等基本功能參數(shù)，逐步向關注交互、控制、集成、識別等體驗要素轉變。在經(jīng)歷從無到有的普及階段后，產品逐漸重視依靠體驗提升來驅動消費需求。家庭清潔任務的多樣化與復雜化，要求機器人具備更高的清潔效率和好的使用體驗。例如云鯨拖掃一體機器人，采用雙水箱基站設計以解決自動換洗拖布的使用痛點;使用磁吸更換的方式增強刷頭更換的便捷性，見圖1。

從用戶價值驅動力方面來看，用戶從只追求功能使用的價值轉向更加重視情感與自我實現(xiàn)的價值。在繁忙的工作中，人們期望更省力輕松的生活，也希望通過更智能的清潔產品獲得更好的生活體驗。

而年齡、使用經(jīng)驗等的差異導致了用戶人群細化;用戶追求產品的情感價值，認可符合自身價值的品牌，選擇符合自身定位的智能清潔產品，從而創(chuàng)造出具有獨特性的家庭清潔用戶場景。

（二）掃地機器人設計關注的問題

《2020中國服務機器人產業(yè)發(fā)展研究報告》中提出：能否解放勞動、提高效率、提升服務質量，是服務型機器人的內在價值基礎。

對掃地機器人來說，最大程度解放用戶家務勞動、提升清潔效率、提供高質量的清潔服務，就是其核心價值所在。

1. 應對復雜清潔場景的使用問題：清潔機器人在清潔地面死角方面有無可替代的優(yōu)勢，但受限于自身結構，不可控的噪音、碰撞、纏繞問題，在工作中對家庭成員的正常生活產生較強干擾;對毛發(fā)的處理能力與手持吸塵器相比又有著明顯劣勢。相比之下，清潔機器人缺乏豐富的拓展模塊，獨自應對家庭環(huán)境的所有復雜性?？v觀其他的智能清潔產品——手持吸塵器、蒸汽拖把等產品創(chuàng)新層出不窮，向用戶描繪了家務勞動的新場景。在復雜變化的家庭環(huán)境中，吸塵器具有的拓展性、可控性及清潔的細致程度遠優(yōu)于掃地機器人。體感交互的融合發(fā)展及可替模塊、集成基站等系統(tǒng)化的創(chuàng)新形式也成為功能設計的重要方向。

2. 定位與地圖服務的交互問題：現(xiàn)階段對于如何將智能技術內化至日常清潔活動缺乏相應的研究。大部分研究從技術原理與算法應用角度展開闡述，缺乏用戶體驗的角度。對于產品技術升級過分關注，也一定程度忽視了購買者對機器人清潔體驗的實際需求。定位能力不足、地圖信息抽象且單一對使用體驗有著重要影響。平面地圖具有天生的信息缺陷，對高維信息的表達缺失使得在交互表達上無法提供足夠的細節(jié)。

現(xiàn)階段掃地機器人App地圖中仍然存在大量無意義噪音;且環(huán)境中高度、形狀、材質等信息仍然缺失，人眼視覺感知與 App 地圖呈現(xiàn)效果存在巨大差異，見圖2。在已有的設計嘗試中，科沃斯掃地機器人 DG70與 T8使用了單目視覺攝像頭與激光雷達融合的方案，在實際使用過程中，“AIVI”現(xiàn)階段只停留在“提示”“標記”階段，并不能基于物體識別實現(xiàn)更多功能，無法顯著改善掃地的用戶體驗，見圖3 。

從以人為中心的設計角度出發(fā)，應更多關注地圖從二維升向三維的表達方式，探索更多基于多維數(shù)據(jù)的交互邏輯和使用流程。

二、三維點云地圖與清潔體驗構成要素分析

（一）解讀點云技術

“點云（Point Cloud）”，是指通過激光雷達、單目、雙目視覺攝像頭等機器視覺技術進行數(shù)據(jù)采集，獲取在同一空間參考系下表達目標空間分布和目標表面特性的海量點的集合。點云數(shù)據(jù)對高維的特征信息有著極強的包容性與可擴展性，適合應用于3D目標檢測任務。

其中激光雷達是最主流的點云獲取方案之一。如今，激光雷達SLAM（simultaneous localization and mapping）與視覺 SLAM已在掃地機器人中廣泛應用，但是依靠傳統(tǒng)單一傳感器的SLAM 構建的地圖中缺少語義信息[2]，仍然難以適用于家庭環(huán)境中的高動態(tài)場景，基于視覺的場景識別與理解是機器人認識周圍環(huán)境、提高智能化水平的關鍵[3]。AI 場景識別是機器視覺與深度學習的融合應用，它基于單目、雙目視覺相機采集環(huán)境圖像，獲得當前場景中的實時位姿數(shù)據(jù)，是機器人構建環(huán)境地圖的重要步驟。視覺是多級且自下而上的分析過程，其核心是由圖像結構推導出外部環(huán)境結構，最終實現(xiàn)對外部現(xiàn)實世界的認知[4]。趙曉東等在《清潔機器人路徑規(guī)劃算法研究綜述》中指出進一步研究的方向，在強大的硬件平臺下，發(fā)展建立精確的環(huán)境模型信息，包括在某些場景下建立三維模型，通過多種方法融合設計新的定位及規(guī)劃算法[5]，如圖4。

對掃地機器人來說，人工智能、地圖及相關的交互體驗是決定機器人好用與否的關鍵。通過從不同維度分析掃地機器人的特征，提煉對市場、用戶、體驗有決定性影響的關鍵要素，前瞻地圖與定位驅動的體驗設計研究趨勢。

（二）三維點云地圖的體驗設計研究趨勢

掃地機器人地圖與定位的技術要素是其提供清潔服務的基礎;而地圖與人工智能（AI）的融合又將為未來體驗創(chuàng)造更多可能性。基于以上發(fā)展趨勢，機器視覺、深度學習等人工智能技術將進一步推動地圖形式的變革，從信息匱乏、交互形式單一的平面地圖逐步轉向信息呈現(xiàn)多樣、交互通道豐富的多維立體地圖，如圖5。

1.圍繞三維點云硬件的趨勢：傳統(tǒng)的功能設計集中于機器人本體，實際上通過對其他產品的橫向研究，脫離本體進行功能模塊的構思有著更多操作上的可行性。通過掛載視覺和點云融合的硬件構成，可以幫助機器人更深入地感知和理解家庭環(huán)境，支持三維地圖情感化、人性化的體驗。智能清潔體驗依賴于完整且豐富的地圖信息，充分考慮到機器人低矮的工作特性與高視角掃描效果間的矛盾，以升降式攝像頭或拆卸式掃描儀的方式創(chuàng)造高低搭配的建圖策略，或使用戶也參與掃描的過程，增強對機器人的探索欲，建立起更豐富的情緒體驗。

2.圍繞三維地圖交互的趨勢：傳統(tǒng)掃地機器人的 App 應用只進行抽象的地圖呈現(xiàn)，只支持一維的縮放平移操作，缺乏對環(huán)境全景式和微距式的觀察視角，對家庭環(huán)境的表達呈現(xiàn)單調且冰冷的狀態(tài)。在交互與視覺設計層面，對應功能模塊進行流程和層級的設計?；谝陨习l(fā)展趨勢，機器視覺、深度學習等人工智能技術將進一步推動地圖形式的變革，從信息匱乏、交互形式單一的平面地圖逐步轉向信息呈現(xiàn)多樣、交互通道豐富的三維立體地圖。AI視覺識別與點云數(shù)據(jù)的融合，可以幫助機器人更深入地感知和理解家庭環(huán)境，又實現(xiàn)對日常行為的識別與判斷[6]。在應用層面為家庭智能清潔帶來精細化清掃、多層級信息、人機協(xié)同、智能交互等方面更多的可能性;在硬件層面，更全面的三維數(shù)據(jù)加深了機器人的空間理解，為機器人運行提供高精度的路線計算，完成點到點的清潔任務。

（三）三維點云地圖體驗洞察導出

基于上述設計趨勢分析與研究框架，展開三維地圖使用場景的洞察聚類和轉化。通過對使用經(jīng)驗、使用痛點、未來需求等角度的資料搜集、文獻分析、用戶深訪，從以功能模式、交互方式、視覺體驗三個角度進行整合了以下初步洞察，見圖6。并在此基礎上導出三個具備較高設計價值的目標場景。

洞察導出需要完成向設計策略的轉化，用戶體驗設計的核心原則在以下方面得到應用，見圖7：①功能模式設計角度：構建的 3D 地圖，可以實現(xiàn)在建立三維環(huán)境模型的同時標記環(huán)境中的物體位置、功能標注、姿態(tài)和等語義信息、要實現(xiàn)與人的認知同步，就應通過定義地圖節(jié)點的抽象概念和語義關系，創(chuàng)建包含人類空間概念實體的環(huán)境地圖。

②交互方式設計角度：多層級信息可以以簡潔、高效的形式呈現(xiàn)的原則。在交互層面，得益于點云立體表達的優(yōu)勢，經(jīng)過三維圖像后能夠表現(xiàn)包括深度圖、幾何圖、語義圖等在內的環(huán)境數(shù)據(jù)，形式各異的地圖數(shù)據(jù)更需要建立起與之對應的交互邏輯。

③視覺體驗設計角度：動態(tài)變化的環(huán)境信息經(jīng)過可視化處理后提供給用戶。滿足了用戶的參與權、知情權、控制權，在實用層面更具體地引導了具備安全感與信任感的智能清潔體驗。

三 、基于三維點云地圖的智能清潔體驗設計策略

智能是什么？智能是指機器接近人的行為方式、思維方式。智能系統(tǒng)的設計，即是通過提供具有合適的場景應用和產品功能的AI 解決方案，在此基礎上滿足用戶需求并產生社會效益[7]。通過三維地圖建構起家庭智能清潔系統(tǒng)，人的認知和機器理解的差異進一步縮減，從空間信息采集、篩選、判斷、清潔任務的不同階段，機器人能夠越來越接近人的思維方式與行為方式。這種思維與行為的同步化能夠建立除了清潔任務外的情感連接，更進一步帶來自然和諧的生活體驗。

（一）智能清潔體驗設計策略構建

通過前期洞察確立了具體的體驗設計方向，基于三維點云地圖在多維信息采集與視覺呈現(xiàn)方面的優(yōu)勢，構建囊括精細化、協(xié)同化、情感化三個維度的智能清潔體驗設計策略，見圖8。

1.精細化策略

（1）用戶清潔需求的精細化：提供精確到物品的高精度定位，為掃地機器人全空間的“點對點”清掃奠定基礎。精細化清掃，即強調準確打擊某個點的同時盡量降低對周邊的影響，對于清潔機器人來說該原則同樣適用。用戶對于“只掃某個區(qū)域就好”的使用需求，并不需要機器人從出發(fā)就開始清掃，而是以安靜的狀態(tài)出發(fā)，走直線以最短距離到達標定區(qū)域，再開始清掃。例如：去主臥床底下擦地、去衛(wèi)生間擦水，去南陽臺清潔貓窩等精確到語義屬性的定點清潔。

（2）地圖標簽管理的精細化：SLAM系統(tǒng)在構建地圖時將幾何信息與語義信息融合，利用語義信息輔助定位，從而準確地感知并適應場景[8]。多次掃描的訓練后，能夠逐漸識別各類家具物品，確定他們的固定邊界，對環(huán)境中家具種類、功能、使用頻率等信息進行區(qū)分，自動為他們添加標注。一方面這些物品將作為標定行駛軌跡的路標輔助機器人運行;另一方面能夠為精確清掃提供標志物，并由此支持文字標注到語音控制的轉化。在顯示方式上，以圖層疊加的形式呈現(xiàn)不同類別的標注，合理排列并控制單次信息量，見圖9。

2. 協(xié)同化策略：通過地圖共建、信息共享，利用三維點云地圖的特點在機器之間、人與機器間建立起更高效、更整體的協(xié)作系統(tǒng)。

（1）“分布式”地圖系統(tǒng)構建協(xié)同化：“分布式”地圖系統(tǒng)中，展現(xiàn)給用戶的是統(tǒng)一的地圖整體。系統(tǒng)擁有多種通用的物理和邏輯資源，可以動態(tài)的分配任務，分散的地圖資源通過網(wǎng)絡實現(xiàn)信息交換。

由于單個機器人的建圖與識別效率有限，需要由低至高逐步構建地圖階層，見圖10。更新的地圖信息能夠經(jīng)由系統(tǒng)網(wǎng)絡共享，實現(xiàn)內部快速迭代，不同機器人之間只需通過同一份地圖來完成信息的理解和判斷。設備間通過環(huán)境認知的一致性提升服務效率，降低錯誤率。

（2）人機操控構建協(xié)同化：智能清潔系統(tǒng)需要人和機器人的協(xié)同運作——信息的采集和分析、信息的計算、指令的執(zhí)行和反饋。通過對場景任務的解構，人作為命令主體，機器人則是執(zhí)行主體。以這種形式賦予產品可用性，進而積累場景下的數(shù)據(jù)，使用戶可以通過地圖界面獲取機器人狀態(tài)及環(huán)境信息，實現(xiàn)對機器人的全面控制。以“人在環(huán)中”的形式拓展人機交互的空間，通過優(yōu)化交互設計來彌補自然語言交互技術的不足[9]。

3. 情感化策略：情感化設計幫助在形式化用戶體驗和情感生成之間產生聯(lián)系[10]。情感化一方面源于動態(tài)自然的交互方式，另一方面源于簡單高效的使用體驗。創(chuàng)造人機間“心有靈犀”的場景是創(chuàng)造人性化的前提。

（1）差異化場景識別實現(xiàn)情感化：人體動作識別是從給定的動作序列中理解人的行為，行為識別的目的就是根據(jù)傳感器觸發(fā)的序列來推斷居民當前正在進行哪一種日常行為[11]。從點云中提取的三維人體骨架對于差異化的場景識別具有重要意義[12]。差異化的場景識別要求機器人能夠記錄并判斷包括人的輪廓、動作、語音，指導自身工作。對人體行為的識別感應使機器人在工作中兼顧用戶的生活方式與認知習慣，“四兩撥千斤”，針對性地調整工作模式，降低存在感，提高工作效率。而另一方面，識別寵物的固定活動區(qū)域，避讓不可觸碰的區(qū)域，清理食物殘渣;及時發(fā)現(xiàn)寵物引發(fā)的突發(fā)狀況，如撕碎紙巾、打翻水瓶等，識別、拍攝并向用戶發(fā)送報告。

（2）動態(tài)可視化實現(xiàn)情感化：三維地圖作為屏幕交互的第一層界面，以和諧的交互邏輯和自然的動態(tài)效果能夠有效提升使用體驗，傳遞情感化的價值。例如在掃描建圖階段，更快輸出密度高、噪聲低的地圖，能夠以較快速度勾勒空間的深度和高度信息。例如強調與實景畫面融合的低面網(wǎng)格效果，能夠直觀反映已掃描的區(qū)域及大致的環(huán)境形態(tài)。對于建圖過程而言，低面風格能夠營造充足的動態(tài)感，隨著掃描推進網(wǎng)格逐步延伸，能夠向用戶傳達積極的信息反饋。以清掃過程為例，通常是用戶非在場狀態(tài)，但系統(tǒng)應該通過動態(tài)交互設計“讓清掃優(yōu)化過程觸手可得”，例如，通過漸變色的App動效、粒子狀的渲染特效等方式，將家庭環(huán)境質量的變化呈現(xiàn)給用戶。

（二）智能清潔概念系統(tǒng)架構

基于三維點云地圖在多維信息采集與立體視覺呈現(xiàn)方面的優(yōu)勢，提出自上而下囊括產品硬件、交互方式、視覺表現(xiàn)的設計系統(tǒng)架構，見圖11。針對體驗思維主導下的家庭清潔機器人開發(fā)產生的諸多需求，通過以用戶為中心的設計方法，為智能清潔系統(tǒng)構建提供可行思路與前期概念。

具體到交互環(huán)節(jié)，則應包含了從清潔場景提煉出的細分需求：①保留符合用戶偏好的傳統(tǒng)交互方式如屏幕交互和物理邏輯等;②不同用戶對新交互形式的接受程度和探索欲望不同，應提供體感控制與語音控制的拓展選項;③通過自然的交互形式采集環(huán)境/人體數(shù)據(jù)，維持家庭基本健康安全的需求;④選擇合適的顯示載體，以三維動畫形式對滿足用戶對動態(tài)數(shù)據(jù)的感知需求等。

結語

近年來對于掃地機器人的研究，逐漸開始注重智能技術、交互方式與用戶情感之間的關聯(lián)。對掃地機器人清潔體驗的研究思維，本質就是以人為本的設計思維。面對單一機器人或單一功能模塊難以應對復雜性與特殊性的現(xiàn)實狀況，3D視覺的應用還是要從具體場景的使用訴求和成本等多重因素共同考慮。構建“三維點云地圖”與掃地機器人家庭清潔融合的系統(tǒng)，是從體驗設計的角度對當前機器人應用研究的新探索，勾勒未來基于機器人服務的智能家居系統(tǒng)的發(fā)展輪廓。

利用三維點云地圖數(shù)據(jù)精確、表達形式豐富的特征，開拓新應用場景與新交互方式，為智能家居系統(tǒng)融入更多積極的的情緒體驗。通過構建信息共享系統(tǒng)與機器人工作聯(lián)動機制，完成家庭清潔的協(xié)同化調度;服務機器人共享了更強的分析能力、更快的建圖能力、更精細的場景識別能力;依靠語義地圖，智能機器人能夠實現(xiàn)室內精確移動、精細清潔、物體跟蹤、安全巡航等多重功能，最終為用戶打造高效、互聯(lián)、自然、系統(tǒng)、多維、安全的家居生活體驗。