張廣才，張俊杰，蔡彥倫，何繼榮

（1.哈工大機器人 （揚州）科創(chuàng)中心 人工智能研究所，江蘇 揚州 225000；2.揚州哈工科創(chuàng)機器人研究院有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 揚州 225000；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引言

隨著人類科學(xué)發(fā)展水平的不斷提高，機器人成為科技發(fā)展的代表產(chǎn)物［1－2］，它能夠讓人們從危險的、簡單重復(fù)的生產(chǎn)作業(yè)中解放出來，顯著提高人類生活與生產(chǎn)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(yè)用的機械臂機械手、語音機器人等。其中，復(fù)合機器人是建立在前期機器人技術(shù)之上，進一步開發(fā)得到的機器人品種。

復(fù)合機器人指由移動底盤和機載裝置集成，可實現(xiàn)移動和附加功能的機器人。它包括作戰(zhàn)復(fù)合機器人（移動平臺＋武器系統(tǒng)）、輪履復(fù)合機器人（輪子＋履帶）、AGV＋機械臂復(fù)合機器人、串并聯(lián)復(fù)合機器人等。其中，帶有移動底盤和機械臂集成的，可實現(xiàn)移動和抓取任務(wù)的復(fù)合機器人是研究的主要方向。復(fù)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(gòu)建技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、自主避障技術(shù)、視覺技術(shù)、物體抓取技術(shù)等一系列高端技術(shù)通過合理手段進行集成，是非常復(fù)雜的高科技產(chǎn)品。

復(fù)合機器人可以將其他機器人單一且前沿的功能技術(shù)結(jié)合起來，如移動機器人負重狀態(tài)下的自動導(dǎo)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(chǎn)生活的自動化水平，是機器人發(fā)展的重要方向。

1 復(fù)合機器人關(guān)鍵技術(shù)

1.1 智能移動底盤技術(shù)

智能移動底盤技術(shù)主要包括機械運動、地圖搭建、路線規(guī)劃以及自主導(dǎo)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(wěn)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(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、行進速度快等優(yōu)點［4］?，F(xiàn)階段復(fù)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(zhuǎn)動來實現(xiàn)底盤的運動。

環(huán)境地圖的構(gòu)建是移動底盤的關(guān)鍵技術(shù)，通常采用定位和地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization And Mapping，SLAM）技術(shù)實現(xiàn)。SLAM技術(shù)是指機器人從未知環(huán)境的未知地點出發(fā)，在運動過程中通過重復(fù)觀測到的環(huán)境特征定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置構(gòu)建周圍環(huán)境的增量式地圖，從而達到同時定位和地圖構(gòu)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(shù)據(jù)與現(xiàn)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(jié)合測量數(shù)據(jù)的動態(tài)似然估計［6］。圖1為SLAM地圖構(gòu)建。

圖1 SLAM地圖構(gòu)建

移動底盤的另一關(guān)鍵技術(shù)是如何在已架構(gòu)完成的地圖的基礎(chǔ)上，規(guī)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(guī)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(shù)和基于先驗地圖的導(dǎo)航技術(shù)在傳統(tǒng)環(huán)境中進行嘗試，并得到了很好的應(yīng)用［9－10］。另外考慮到拓展市場的需要，這些算法應(yīng)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(guī)劃［11］。

1.2 機械臂技術(shù)

機械臂主要由運動元件、導(dǎo)向裝置、手臂組成，具有自由度高、可調(diào)節(jié)性強、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單的優(yōu)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(yīng)用中最廣泛的產(chǎn)品，技術(shù)比較成熟。目前全球市場上工業(yè)機械臂廠商主要有發(fā)那科、庫卡、安川、ABB四大家族：國內(nèi)比較知名的有萬方自動化、科馬等。

機械臂技術(shù)主要包括運動和軌跡規(guī)劃，其中機械臂的運動研究主要分為正運動學(xué)分析與逆運動學(xué)分析。如今正運動學(xué)分析有D-H法；但對逆運動學(xué)，仍然需要開創(chuàng)性研究和發(fā)展［12－13］。

2 復(fù)合機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 復(fù)合機器人國外研究現(xiàn)狀

1980年以來，國外開始研究復(fù)合機器人。1984年，德國的弗勞恩霍發(fā)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(fù)合機器人的研究。1996年，美國斯坦福大學(xué)的研究人員研制的一款復(fù)合機器人可以在外界環(huán)境中實現(xiàn)自主避障［15］。

Williow Garage公司于2006年研制成功一款名為PR2的復(fù)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(guān)節(jié)，手被制作成夾緊機構(gòu)；頭部、軀干、關(guān)節(jié)、夾緊機構(gòu)上安裝有精密的攝像裝置。依托ROS（Robot Operating System）系統(tǒng)，PR2可自主完成多種非簡單性的任務(wù)，如開關(guān)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(fù)合機器人。該機器人可以在狹窄的空間內(nèi)實現(xiàn)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(fù)合機器人

Fetch Rbotics公司于2015年研究成功一套用于倉儲的復(fù)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(fā)的各種移動底盤技術(shù)，按訂單提供的內(nèi)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(fù)合機器人

2.2 復(fù)合機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)科研機構(gòu)也對復(fù)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(guī)劃問題。

市場方面，國內(nèi)復(fù)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(fù)合機器人HCR20，如圖4所示。該機器人采用自然輪廓導(dǎo)航技術(shù)，有效負載達20 kg，其機械臂與移動底盤安全互鎖，實現(xiàn)了機械臂的遠程移動操作，至今賣出數(shù)百臺，是國內(nèi)復(fù)合機器人研究成果市場轉(zhuǎn)化的成功案例。

圖4 新松復(fù)合機器人

此外，國內(nèi)還有大族、青島海通等公司進行了復(fù)合機器人的生產(chǎn)。由于成果積累不夠深厚，研發(fā)費用較高，開發(fā)復(fù)合機器人產(chǎn)品的企業(yè)數(shù)量并不多。除了頭部企業(yè)，市面上還有數(shù)十家左右企業(yè)在進行復(fù)合機器人研發(fā)，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(yōu)智合等。圖5為國內(nèi)復(fù)合機器人產(chǎn)品。

圖5 國內(nèi)復(fù)合機器人產(chǎn)品

3 復(fù)合機器人的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域

復(fù)合機器人在工廠及倉儲物流領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，如在機床上料、機床工具更換、質(zhì)量檢驗、過程鏈接等環(huán)節(jié)均有不同程度的應(yīng)用。復(fù)合機器人在自動化生產(chǎn)車間的基礎(chǔ)上，進一步提高了車間生產(chǎn)的智能化程度。車間作業(yè)中，復(fù)合機器人能夠完全自主移動，在車間內(nèi)部結(jié)構(gòu)不改變的條件下，替代人工完成所有的取送服務(wù)，使生產(chǎn)線不再被束縛于只生產(chǎn)單一型號的產(chǎn)品，大大提高了車間生產(chǎn)線的靈活性，有效地解決了人們對工廠無人生產(chǎn)和非標定制產(chǎn)品生產(chǎn)的需求［17］。

3.2 養(yǎng)老服務(wù)領(lǐng)域

目前養(yǎng)老服務(wù)機器人的主要服務(wù)是語音交流、智能看護、遠程醫(yī)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(fù)合機器人的出現(xiàn)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(zhì)保量（只要有相應(yīng)程序設(shè)置），且避免了人類因情緒產(chǎn)生的各種不確定因素。在不遠的未來，養(yǎng)老服務(wù)將成為復(fù)合機器人的重要應(yīng)用市場［18－20］。

3.3 文娛教育領(lǐng)域

游樂場、博物館、科技館等公共服務(wù)場所大多設(shè)置了服務(wù)機器人，這些服務(wù)機器人的功能主要是導(dǎo)游和咨詢，無法完成進一步的人機互動。復(fù)合機器人搭配語音交流功能后，可以在文娛教育領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更深入更廣泛的應(yīng)用。配合移動底盤、機械臂的使用，可以實現(xiàn)導(dǎo)游、引路、行李搬運甚至陪玩互動等服務(wù)。機器人工作穩(wěn)定，不會疲勞，能大大提高服務(wù)質(zhì)量的穩(wěn)定性，并減輕人力成本支出。

4 總結(jié)

本文簡要介紹了復(fù)合機器人的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了復(fù)合機器人的應(yīng)用前景。盡管各行各業(yè)對復(fù)合機器人有強烈需求，但其廣泛使用還需進一步的技術(shù)研發(fā)和市場驗證。復(fù)合機器人的研發(fā)難點在于需要對移動底盤和機械臂兩個主要模塊的技術(shù)都熟練掌握，并保證兩者協(xié)同工作。同時，未來哪個模塊作為研發(fā)核心，也是復(fù)合機器人技術(shù)發(fā)展必須面臨的抉擇。