復合機器人的應用和發展綜述*

張廣才，張俊杰，蔡彥倫，何繼榮

（1.哈工大機器人 （揚州）科創中心 人工智能研究所，江蘇 揚州 225000；2.揚州哈工科創機器人研究院有限公司 技術研發中心，江蘇 揚州 225000；3.哈爾濱工業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引言

隨著人類科學發展水平的不斷提高，機器人成為科技發展的代表產物［1－2］，它能夠讓人們從危險的、簡單重復的生產作業中解放出來，顯著提高人類生活與生產的便捷性。機器人種類很多，如移動用的機器人自主移動平臺、工業用的機械臂機械手、語音機器人等。其中，復合機器人是建立在前期機器人技術之上，進一步開發得到的機器人品種。

復合機器人指由移動底盤和機載裝置集成，可實現移動和附加功能的機器人。它包括作戰復合機器人（移動平臺＋武器系統）、輪履復合機器人（輪子＋履帶）、AGV＋機械臂復合機器人、串并聯復合機器人等。其中，帶有移動底盤和機械臂集成的，可實現移動和抓取任務的復合機器人是研究的主要方向。復合機器人并非簡單的智能移動底盤和機械臂的組合，還包括將地圖構建技術、自主導航技術、自主避障技術、視覺技術、物體抓取技術等一系列高端技術通過合理手段進行集成，是非常復雜的高科技產品。

復合機器人可以將其他機器人單一且前沿的功能技術結合起來，如移動機器人負重狀態下的自動導航尋路功能、機械臂的抓取功能、語音機器人和人類的音頻或文字交流功能，可提高生產生活的自動化水平，是機器人發展的重要方向。

1 復合機器人關鍵技術

1.1 智能移動底盤技術

智能移動底盤技術主要包括機械運動、地圖搭建、路線規劃以及自主導航。就機械運動形式來講，目前普遍采用輪式、履帶式和腿式等運動方法［3］。比較而言，輪式移動機器人盡管在運動的穩定性和精確的軌跡控制上受路面路況的影響很大，但其具有重量小、負載大、結構簡單、驅動和控制相對方便、行進速度快等優點［4］。現階段復合機器人廠商都采用輪式移動底盤，由伺服電機帶動運動輪轉動來實現底盤的運動。

環境地圖的構建是移動底盤的關鍵技術，通常采用定位和地圖構建（Simultaneous Localization And Mapping，SLAM）技術實現。SLAM技術是指機器人從未知環境的未知地點出發，在運動過程中通過重復觀測到的環境特征定位自身位置和姿態，再根據自身位置構建周圍環境的增量式地圖，從而達到同時定位和地圖構建的目的。SLAM算法采用基于高頻率掃描的傳感器（激光雷達等），高度依賴掃描數據與現有的地圖進行對照匹配，以確定機器人的相對位姿，并與多分辨率的地圖配合使用（Hector＿SLAM［5］），或者結合測量數據的動態似然估計［6］。圖1為SLAM地圖構建。

圖1 SLAM地圖構建

移動底盤的另一關鍵技術是如何在已架構完成的地圖的基礎上，規劃出一條到達指定位置的合理路線；并在機器人運動到目標點的過程中避開那些移動障礙物，即基于已知地圖的路徑規劃。目前常用的算法包括Dijkstra算 法［7］和 A＊ 算 法［8］。 研 究 人 員 對 于SLAM技術和基于先驗地圖的導航技術在傳統環境中進行嘗試，并得到了很好的應用［9－10］。另外考慮到拓展市場的需要，這些算法應能夠在低價的傳感器上運行良好，并能夠取得較為精確的路徑規劃［11］。

1.2 機械臂技術

機械臂主要由運動元件、導向裝置、手臂組成，具有自由度高、可調節性強、結構設計簡單的優點；但也存在零部件磨損、平衡性低等缺點。機械臂是機器人應用中最廣泛的產品，技術比較成熟。目前全球市場上工業機械臂廠商主要有發那科、庫卡、安川、ABB四大家族：國內比較知名的有萬方自動化、科馬等。

機械臂技術主要包括運動和軌跡規劃，其中機械臂的運動研究主要分為正運動學分析與逆運動學分析。如今正運動學分析有D-H法；但對逆運動學，仍然需要開創性研究和發展［12－13］。

2 復合機器人國內外研究現狀

2.1 復合機器人國外研究現狀

1980年以來，國外開始研究復合機器人。1984年，德國的弗勞恩霍發明了一種可移動機械臂，命名為MORO，它被認為是最早的輪式移動機械臂樣機模型。但由于理論研究尚未成熟，MORO并未能投入市場［14］。20世紀90年代以來，越來越多的研究者們開始了復合機器人的研究。1996年，美國斯坦福大學的研究人員研制的一款復合機器人可以在外界環境中實現自主避障［15］。

Williow Garage公司于2006年研制成功一款名為PR2的復合機器人。PR2采用輪式移動底盤，有兩條機械臂，每條機械臂具有7個關節，手被制作成夾緊機構；頭部、軀干、關節、夾緊機構上安裝有精密的攝像裝置。依托ROS（Robot Operating System）系統，PR2可自主完成多種非簡單性的任務，如開關門窗、自主充電、拾取遞送物品、與工作人員進行娛樂互動等等。

Kuka公司推出一款名為KMR iiwa的機器人（見圖2），它擁有智能移動底盤和機械臂，可視作典型的復合機器人。該機器人可以在狹窄的空間內實現精確定位，車輛和機器人都由鋰離子電池直接供電。

圖2 KMR iiwa復合機器人

Fetch Rbotics公司于2015年研究成功一套用于倉儲的復合機器人，如圖3所示。其中一個機器人名為Fetch，有一個機械臂搭載在移動底盤上，利用基于ROS開發的各種移動底盤技術，按訂單提供的內容，將商品從貨架上取出并放置在另一機器人上，由另一機器人運輸。

圖3 Fetch復合機器人

2.2 復合機器人國內研究現狀

國內科研機構也對復合機器人進行了研究。2016年王鑫研究了基于雙目視覺的移動機械臂抓取控制［16］，同年高斌研究了該類裝置的運動規劃問題。

市場方面，國內復合機器人以新松、仙知為主。新松采用自家機械臂和移動底盤，擁有長期的研究成果，于2015年推出第一款復合機器人HCR20，如圖4所示。該機器人采用自然輪廓導航技術，有效負載達20 kg，其機械臂與移動底盤安全互鎖，實現了機械臂的遠程移動操作，至今賣出數百臺，是國內復合機器人研究成果市場轉化的成功案例。

圖4 新松復合機器人

此外，國內還有大族、青島海通等公司進行了復合機器人的生產。由于成果積累不夠深厚，研發費用較高，開發復合機器人產品的企業數量并不多。除了頭部企業，市面上還有數十家左右企業在進行復合機器人研發，如哈工大、普華靈動、浙江科鈦、智偉達、米克力美、廣州亞陸、西安艾優智合等。圖5為國內復合機器人產品。

圖5 國內復合機器人產品

3 復合機器人的應用領域

3.1 工業生產領域

復合機器人在工廠及倉儲物流領域有著廣泛的應用前景，如在機床上料、機床工具更換、質量檢驗、過程鏈接等環節均有不同程度的應用。復合機器人在自動化生產車間的基礎上，進一步提高了車間生產的智能化程度。車間作業中，復合機器人能夠完全自主移動，在車間內部結構不改變的條件下，替代人工完成所有的取送服務，使生產線不再被束縛于只生產單一型號的產品，大大提高了車間生產線的靈活性，有效地解決了人們對工廠無人生產和非標定制產品生產的需求［17］。

3.2 養老服務領域

目前養老服務機器人的主要服務是語音交流、智能看護、遠程醫療等，對于老人由于實際行動不便而造成的生活上的問題并未得到很好的解決。而復合機器人的出現可以幫助老弱病殘運送物品、攙扶引路，大大緩解了老人因行動不便而帶來的各種麻煩。機器人可以24h不間斷工作，工作保質保量（只要有相應程序設置），且避免了人類因情緒產生的各種不確定因素。在不遠的未來，養老服務將成為復合機器人的重要應用市場［18－20］。

3.3 文娛教育領域

游樂場、博物館、科技館等公共服務場所大多設置了服務機器人，這些服務機器人的功能主要是導游和咨詢，無法完成進一步的人機互動。復合機器人搭配語音交流功能后，可以在文娛教育領域實現更深入更廣泛的應用。配合移動底盤、機械臂的使用，可以實現導游、引路、行李搬運甚至陪玩互動等服務。機器人工作穩定，不會疲勞，能大大提高服務質量的穩定性，并減輕人力成本支出。

4 總結

本文簡要介紹了復合機器人的關鍵技術和發展現狀，并分析了復合機器人的應用前景。盡管各行各業對復合機器人有強烈需求，但其廣泛使用還需進一步的技術研發和市場驗證。復合機器人的研發難點在于需要對移動底盤和機械臂兩個主要模塊的技術都熟練掌握，并保證兩者協同工作。同時，未來哪個模塊作為研發核心，也是復合機器人技術發展必須面臨的抉擇。