一、作品背景

随着城市化进程加速，2023 年中国城市化率已达 66.2%，大户型住宅、玻璃幕墙建筑广泛普及，家庭与商业场景中，高空玻璃、天花板、楼梯扶手等复杂表面的清洁需求日益凸显。据《2024 年智能家居消费报告》显示，67% 的用户认为此类清洁 “最耗时费力”，而传统清洁设备如伸缩杆、普通吸尘器覆盖率不足 30%，难以突破空间限制；同时，“限塑令” 与垃圾分类政策推行后，家庭垃圾处理需从 “简单清扫” 升级为 “识别 - 分类 - 收纳” 一体化，现有设备缺乏智能分类能力，清洁效率与功能全面性均无法满足需求。

在技术发展层面，仿生机器人、智能感知、人机交互技术的协同突破，为复杂表面清洁设备研发提供了支撑。传统清洁机器人存在功能单一、垂直场景适配性差、无智能分类能力等痛点，因此，研发一款能覆盖全场景、兼具高效清洁与智能分类功能的设备成为行业趋势。基于此，本团队设计推出 “仿生壁虎 - 全场景智能清洁管家机器人”，以仿生吸附技术突破空间限制，融合智能控制与环境感知能力，解决传统设备痛点，为用户提供安全、高效、智能的全场景清洁解决方案。

二、项目介绍

本款 “仿生壁虎 - 全场景智能清洁管家机器人”，核心优势在于仿生壁虎足底吸附技术与多功能清洁模块的创新结合，可适应玻璃、天花板、楼梯、桌面等复杂表面清洁。设备无清洁死角，能深入家具底部、墙角等狭小空间作业，清洁过程中无二次污染；支持吸尘、湿拖、夹取、垃圾分类多模式，灌装速度快、效率高，且清洁力度与吸附力可根据附着面材质实时调节，避免损伤表面。

相比同类清洁设备，本产品体积更小巧、操作更便捷，支持手机 APP 远程控制与离线语音唤醒，单机可覆盖家庭、酒店、写字楼等多场景，价格更具性价比，适合各类用户群体使用。同时，设备配备安全预警机制，实时监测吸附力与电量，吸附力异常时自动触发安全锚定，电量不足时可自动导航充电，保障使用安全。

三、结构说明

本产品采用轻量化设计，以蓄电池供电、伺服电机驱动，核心结构由仿生吸附系统、清洁执行系统、驱动系统、控制系统、环境感知系统五大模块组成，各系统协同工作，实现全场景智能清洁。

仿生吸附系统：模仿壁虎足底 β- 角蛋白刚毛结构，采用 PDMS 弹性材料制备直径 5μm、间距 20μm 的微纳米级柱状阵列，借助范德华力实现可逆吸附，单个 1cm² 吸附单元吸附力达 5N，支撑机器人在垂直玻璃表面以 0.5m/s 速度稳定移动；搭配四足分布式驱动，每足集成伺服电机与压力传感器，构成双摇杆机构，保证至少两条腿同时附着表面，越障高度可达 3cm。

清洁执行系统：包含清洗模块与夹取分类模块。清洗模块集成旋转毛刷（转速 0-2000rpm 可调）、5000Pa 吸力风机、可伸缩铲子，支持吸尘（过滤精度 0.3μm）、湿拖模式；夹取分类模块配备六轴机械臂（定位精度 ±0.5mm），可夹取大型垃圾。

驱动系统：以伺服电机为核心，为吸附系统与清洁执行系统提供动力，驱动机器人移动、机械臂运转、毛刷旋转等动作，传动稳定、能耗低，适配复杂场景下的灵活作业需求。

控制系统：以控制板为核心，搭载双控板协同控制，可接收远程遥控信号与传感器数据，通过程序实现清洁模式切换、吸附力调节、路径规划等动作，出现故障时自动发出报警信号。

环境感知系统：由激光雷达、IMU 惯性测量单元、红外传感器、超声波雷达、相机组成，激光雷达以 ±2cm 建图精度构建三维地图，IMU 实现姿态角误差＜0.5° 的定位，红外与超声波传感器探测障碍物，相机与传感器协同完成垃圾识别与材质判断。

四、功能说明

全场景清洁，无死角覆盖：设备依托仿生吸附技术，可在垂直玻璃、天花板等高危场景稳定作业，搭配可伸缩铲子深入家具底部、墙角狭小空间，旋转毛刷与吸力风机结合，实现浮尘、碎屑、污渍的全面清理，兼顾大面积清洁与细节处理。

多模式适配，智能调节：支持吸尘、湿拖、夹取、垃圾分类四种模式；通过多模态传感器识别附着面材质，实时调整吸附力与清洁压力，避免损伤表面。

智能分类，高效环保：搭载红外光谱传感器与深度学习模型，可精准识别 25 类常见垃圾，分类准确率＞99.6%，实现垃圾 “识别 - 夹取 - 分类投放” 全流程自动化，助力垃圾分类政策落地。

便捷交互，安全可靠：支持手机 APP 远程控制与离线语音唤醒；内置安全机制，单侧足吸附力下降超 20% 时触发双足锁定，电量低于 20% 自动导航至充电桩。

五、设计原理

本机器人以电力驱动，蓄电池为各模块供电，核心设计原理围绕 “仿生吸附 - 环境感知 - 智能执行” 展开：

仿生吸附原理：通过微纳米级 PDMS 柱状阵列模拟壁虎刚毛，利用范德华力实现可逆吸附，四足分布式驱动与压力传感器协同，实时调节各足吸附力分配，适应曲面与粗糙表面，确保移动稳定性。

清洁执行原理：清洗模块中，旋转毛刷通过离心力增强表面剪切清洁力，吸力风机依据伯努利方程实现 91m/s 气流速度，快速吸纳杂物；夹取分类模块中，六轴机械臂通过高精度定位实现灵活操作，红外光谱传感器识别垃圾材质，超声波雷达测量距离，结合深度学习模型完成垃圾判断与分类投放。

智能控制原理：控制系统接收环境感知系统数据，通过程序规划清洁路径；远程控制平台发出指令后，经 ADC 模数转换、梅尔频率倒谱系数特征提取，完成指令解析并驱动各模块执行动作，实现 “感知 - 决策 - 执行” 闭环。

清洁流程具体为：机器人通过激光雷达构建环境地图，IMU 定位初始位置；依据预设程序或用户指令，移动至清洁区域，仿生吸附系统固定机身；环境感知系统识别表面材质与垃圾类型，调节吸附力与清洁模式；清洗模块或夹取分类模块启动作业，完成后经拨瓶轮式传送结构转移至下一区域；作业中实时监测吸附力与电量，异常时触发安全机制，作业结束后自动返回充电。

六、产品特色

（一）创新性

仿生吸附突破空间：微纳米级 PDMS 刚毛阵列与四足驱动结合，实现垂直高空、复杂曲面清洁，突破传统设备 30% 覆盖率局限，高危场景清洁效率提升 300%。材质自适应调节。多模态传感器实时识别附着面材质，智能调整吸附力与清洁压力，避免木材、玻璃等脆弱表面损伤，实现无痕清洁。智能分类一体化，融合视觉识别、光谱分析与深度学习，垃圾分类准确率超 99.6%，实现 “清洁 - 分类 - 收纳” 无缝衔接，适配环保政策需求。多交互模式融合，支持 APP 远程控制与离线语音唤醒，响应速度快、操作便捷，适配不同用户习惯。

（二）实用性

全场景覆盖：单机适配家庭、酒店、写字楼等场景，无需额外设备，降低用户采购成本。低维护易操作，结构设计模块化，后期维护修理方便；操作流程简单，无需专业培训，老人、儿童均可通过语音或 APP 控制。高性价比，相比同类高端清洁设备，体积更小、成本更低，同时具备吸附、清洁、分类多功能，投入产出比更高，适合大规模推广。绿色低耗采用低能耗驱动与可充电蓄电池，清洁过程无二次污染，符合 “机械绿色化” 发展方向，兼具环境效益与经济效益。