復(fù)合機(jī)器人概述
復(fù)合機(jī)器人是一種通過集成移動底盤和工業(yè)機(jī)器人而形成的高智能化、多功能機(jī)器人，它同時具備環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、移動操作、人機(jī)協(xié)作等先進(jìn)技術(shù)，具備“手－足－眼－腦”一體化綜合能力，可以靈活地執(zhí)行多樣化任務(wù)，如抓取、搬運(yùn)和操作。
“AGV/AMR+機(jī)械臂”是復(fù)合機(jī)器人的常見形式，融合了移動平臺的靈活移動能力和機(jī)械臂的精準(zhǔn)操作能力，能夠自主執(zhí)行物料的搬運(yùn)、裝配以及質(zhì)量檢測等一系列任務(wù)。其中，移動協(xié)作機(jī)器人（MCR）作為復(fù)合機(jī)器人的高端形態(tài)，集移動底盤、協(xié)作機(jī)械臂、視覺系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)等模塊于一體。MCR能夠自主應(yīng)對復(fù)雜的生產(chǎn)流程和質(zhì)量檢測任務(wù)，廣泛應(yīng)用于智慧工廠、自動化車間、機(jī)房數(shù)據(jù)管理、電力巡檢以及倉儲分揀等多個領(lǐng)域，可以滿足不同行業(yè)多樣化的應(yīng)用需求。
常見的復(fù)合機(jī)器人多為輪式單臂設(shè)計，輪履復(fù)合機(jī)器人和雙臂復(fù)合機(jī)器人的出現(xiàn)，進(jìn)一步豐富了復(fù)合機(jī)器人的類型。輪履復(fù)合機(jī)器人結(jié)合了輪式和履帶式結(jié)構(gòu)的長處，不僅適用于平坦地形的快速移動，還能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中順利執(zhí)行任務(wù)，因此特別適用于戶外探險、救援行動、軍事偵察等領(lǐng)域，以及需要在不同地形中作業(yè)的工業(yè)自動化場景。
而雙臂復(fù)合機(jī)器人則配備兩個協(xié)作機(jī)械臂，通過雙臂的協(xié)同作業(yè)可以更具靈活性。這一特點(diǎn)使它們適用于精密加工、裝配線以及實(shí)驗(yàn)室自動化等領(lǐng)域。
此外，還有作戰(zhàn)復(fù)合機(jī)器人（移動平臺+武器系統(tǒng)）、串并聯(lián)復(fù)合機(jī)器人等定制化設(shè)計的機(jī)器人[1]，它們根據(jù)特定領(lǐng)域的需求進(jìn)行設(shè)計，以滿足不同應(yīng)用場景的多樣化需求。
作為一種集成移動機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人功能的新型機(jī)器人，復(fù)合機(jī)器人融合了移動底盤、機(jī)械臂、視覺系統(tǒng)、末端執(zhí)行器等多種組件，其關(guān)鍵技術(shù)包括環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、人工智能、目標(biāo)跟蹤、智能傳感器、云邊協(xié)同等多種技術(shù)。
1.導(dǎo)航技術(shù)
導(dǎo)航技術(shù)包含環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、運(yùn)動控制及決策制定等多個環(huán)節(jié)。在環(huán)境感知階段，傳感器如同機(jī)器人的感官，廣泛收集周圍環(huán)境的詳細(xì)信息，包括障礙物分布、道路標(biāo)志識別及地形起伏等。基于這些信息，路徑規(guī)劃模塊結(jié)合目標(biāo)位置，計算出移動路徑。運(yùn)動控制模塊則指揮機(jī)器人沿規(guī)劃路徑行進(jìn)。面對復(fù)雜環(huán)境，決策制定模塊能迅速響應(yīng)突發(fā)情況，靈活調(diào)整策略，確保機(jī)器人應(yīng)對自如。
目前，適用于室內(nèi)場景的導(dǎo)航技術(shù)，主要包含磁條導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航等技術(shù)；在室外場景中，主要有慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航。其中，SLAM（即時定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)具有實(shí)時構(gòu)建環(huán)境地圖和精確定位能力，成為主流導(dǎo)航方法之一。激光雷達(dá)、攝像頭、IMU等多種傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以及深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用，是未來的發(fā)展方向。
圖1 導(dǎo)航技術(shù)框架
2.目標(biāo)定位與跟蹤技術(shù)
目標(biāo)定位與跟蹤技術(shù)使機(jī)器人能在動態(tài)環(huán)境中確定并持續(xù)跟蹤目標(biāo)物體。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于物流、制造、監(jiān)控等領(lǐng)域，主要包括視覺跟蹤、激光雷達(dá)跟蹤和超聲波跟蹤等方法。視覺跟蹤利用攝像頭捕捉目標(biāo)圖像，通過圖像處理算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位與跟蹤，具有直觀、靈活的優(yōu)點(diǎn)，但易受光照、遮擋等因素影響。激光雷達(dá)跟蹤通過發(fā)射激光束并接收反射信號確定目標(biāo)位置，具有高精度、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于復(fù)雜環(huán)境。超聲波跟蹤則利用超聲波傳感器發(fā)射并接收反射信號計算目標(biāo)距離，成本較低，但精度和抗干擾能力相對較弱。
當(dāng)前，目標(biāo)定位與跟蹤技術(shù)研究圍繞多源信息融合和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用展開，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同目標(biāo)檢測與跟蹤，提高目標(biāo)定位精度和穩(wěn)定性，增強(qiáng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)能力。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展，目標(biāo)定位與跟蹤技術(shù)將與云計算、邊緣計算等深度融合，進(jìn)一步提升機(jī)器人智能化水平和作業(yè)效率。
3.末端執(zhí)行器
末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人機(jī)械臂末端，用于完成特定任務(wù)，如抓取、裝配和焊接等。常見末端執(zhí)行器包括夾爪、吸盤和焊槍等。夾爪主要應(yīng)用于物料抓取和搬運(yùn)；吸盤利用負(fù)壓原理穩(wěn)固吸附并移動平面或曲面物體；焊槍則專注于焊接作業(yè)，實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)連接。
隨著技術(shù)發(fā)展，軟體夾爪和自適應(yīng)抓取技術(shù)開始涌現(xiàn)，未來末端執(zhí)行器將更加智能化和柔性化，具備更強(qiáng)感知和決策能力，通過融合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主識別物體、判斷環(huán)境，并智能選擇和執(zhí)行抓取等策略。
4.人機(jī)交互技術(shù)
人機(jī)交互技術(shù)是包含語音識別、手勢識別、觸摸屏技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的綜合性技術(shù)體系，該領(lǐng)域主要依賴語音識別和手勢識別兩大核心技術(shù)。其中，語音識別技術(shù)精準(zhǔn)捕捉并解析人類語音指令，實(shí)現(xiàn)用戶與機(jī)器無縫對話，提升信息輸入效率；手勢識別技術(shù)捕捉并分析用戶手部動作，將用戶意圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器可理解指令，拓寬人機(jī)交互維度。
人機(jī)交互技術(shù)研究正向多元化、智能化領(lǐng)域拓展，基于大模型的多模態(tài)交互系統(tǒng)備受關(guān)注，旨在整合多種交互模態(tài)實(shí)現(xiàn)自然、豐富的人機(jī)交互體驗(yàn)。此外，基于腦機(jī)接口的人機(jī)交互技術(shù)也在逐步成熟，有望通過讀取用戶腦電波信號實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器深度連接，推動人機(jī)交互方式不斷發(fā)展。
圖2 人機(jī)交互技術(shù)
5.云邊協(xié)同技術(shù)
云邊協(xié)同技術(shù)實(shí)現(xiàn)云層與邊緣層計算過程數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，發(fā)揮云層高通量計算能力和邊緣層高時效計算能力，共同支撐系統(tǒng)運(yùn)行。云計算技術(shù)、邊緣計算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成其核心支撐。邊緣計算設(shè)備迅速處理實(shí)時數(shù)據(jù)，將復(fù)雜計算任務(wù)上傳至云端處理，提高數(shù)據(jù)處理效率和系統(tǒng)響應(yīng)速度，提升整體性能。
隨著技術(shù)進(jìn)步，多傳感器數(shù)據(jù)融合和深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用日益廣泛，為云邊協(xié)同技術(shù)注入新活力，使系統(tǒng)更智能地處理和分析數(shù)據(jù)，為用戶提供精準(zhǔn)、高效服務(wù)。
圖3 云邊協(xié)同技術(shù)框架[2]
1.國內(nèi)高校研究概述
在復(fù)合機(jī)器人移動系統(tǒng)方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[3]研發(fā)的WLR-3P液壓動力自主輪腿機(jī)器人，在平坦路面和崎嶇地形中能自如移動，為救援人員提供了支持。浙江大學(xué)[4]則構(gòu)建了能夠在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中進(jìn)行獨(dú)立思考和自主導(dǎo)航飛行的機(jī)器人蜂群，這些微型無人機(jī)通過全狀態(tài)軌跡規(guī)劃和超輕量化集群協(xié)同自主導(dǎo)航技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高效的飛行和任務(wù)執(zhí)行。上海交通大學(xué)[5]提出了一種創(chuàng)新的長期SLAM系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了視覺點(diǎn)云匹配算法，有效結(jié)合2D像素和3D體素信息，并通過貝葉斯持久性過濾器將地圖點(diǎn)分類為靜態(tài)、半靜態(tài)和動態(tài)三種，以移除動態(tài)點(diǎn)的影響。通過對半靜態(tài)點(diǎn)的時間序列建模，系統(tǒng)能預(yù)測全局地圖，并將其融入先進(jìn)的SLAM方法中，實(shí)現(xiàn)了在動態(tài)環(huán)境中高效運(yùn)行的視覺SLAM系統(tǒng)。
在復(fù)合機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)方面，清華大學(xué)[6]利用碳纖維復(fù)合材料打造了輕型協(xié)作機(jī)械臂，不僅減輕了重量，還提高了靈活性和精度，已成功應(yīng)用于無人駕駛車輛中的移動服務(wù)機(jī)器人平臺。同時，清華大學(xué)還開發(fā)了多種類型的復(fù)合機(jī)器人，以適應(yīng)不同作業(yè)任務(wù)的需求。華中科技大學(xué)[7]在復(fù)合機(jī)器人領(lǐng)域也有創(chuàng)新性成果，他們設(shè)計的剛?cè)狁詈隙嘀缸ナ趾透咝阅軇側(cè)彳涶詈献ナ?，為野外勘探、工業(yè)分揀等場景提供了新的解決方案。其中，雙模式混合夾持器的研發(fā)，更是實(shí)現(xiàn)了對不同脆弱性物體的自適應(yīng)抓取。此外，北京工業(yè)大學(xué)[8]研發(fā)的自主采摘機(jī)器人，能夠精確識別番茄并規(guī)劃最佳采摘路線，為農(nóng)業(yè)自動化采摘提供了新的思路和技術(shù)支持。
2.主要研究成果
北京科技大學(xué)智能感知與優(yōu)化決策梯隊長期從事智能感知與優(yōu)化決策技術(shù)研究與應(yīng)用，針對不同應(yīng)用需求，研發(fā)了多種類型的復(fù)合機(jī)器人平臺，主要包括用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的復(fù)合機(jī)器人、用于物流分揀的復(fù)合機(jī)器人和用于車間物流的復(fù)合機(jī)器人，如圖4所示。
圖4 智能感知與優(yōu)化決策梯隊研究成果
（1）實(shí)驗(yàn)機(jī)器人
針對科研領(lǐng)域中普遍存在的大量簡單重復(fù)操作，本團(tuán)隊研發(fā)了一款集機(jī)器視覺技術(shù)于一體的復(fù)合機(jī)器人，不僅具備自主巡航能力，能夠自如地在多個工作臺之間穿梭作業(yè)；還依托機(jī)器視覺系統(tǒng)，對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警，確保實(shí)驗(yàn)的安全與準(zhǔn)確。其模塊化、多功能末端執(zhí)行器的設(shè)計，使機(jī)器人能夠適應(yīng)多種實(shí)驗(yàn)場景需求。通過內(nèi)置的強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，機(jī)器人能夠深入分析實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)性，為科研人員提供更為精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)策略建議。同時，其自主充電功能確保了機(jī)器人能夠持續(xù)進(jìn)行長時間的連續(xù)實(shí)驗(yàn)，無需人工頻繁干預(yù)。
（2）分揀機(jī)器人
這款機(jī)器人集成先進(jìn)的人工智能與機(jī)器視覺技術(shù)，采用基于AFFGA-Net目標(biāo)物抓取點(diǎn)估計算法。無論這些物品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的無序堆疊，還是在立體倉庫中密集排列，都能夠準(zhǔn)確快速地識別并定位各類物品的最佳抓取點(diǎn)。
（3）車間物流機(jī)器人
這是一款裝備有云邊協(xié)同智能視覺傳感器的移動機(jī)器人[9]，集成了自動化與智能系統(tǒng)，能夠精確采集數(shù)據(jù)，通過高效通信執(zhí)行精準(zhǔn)操作，確保穩(wěn)定運(yùn)行。同時，結(jié)合云端與邊緣端資源，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度與數(shù)據(jù)處理，并提供AI模型訓(xùn)練與管理，通過API接口實(shí)現(xiàn)智能決策與持續(xù)優(yōu)化，可以提升物流作業(yè)效率與準(zhǔn)確性。
近年來，復(fù)合機(jī)器人在中國市場的增長勢頭穩(wěn)健，贏得廣大客戶的青睞。根據(jù)《復(fù)合移動機(jī)器人行業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》的數(shù)據(jù)顯示，從2017年至2022年，中國市場的復(fù)合機(jī)器人銷量由185臺增加至1169臺，年均復(fù)合增長率接近45%。目前，市場上的復(fù)合移動機(jī)器人企業(yè)主要以移動機(jī)器人廠商為主，占據(jù)了75%的市場份額，其次是機(jī)械臂廠商和集成商，它們各自占有一定的比例。由于技術(shù)和應(yīng)用門檻較高，且市場相對狹窄，目前國內(nèi)擁有相關(guān)產(chǎn)品的廠商數(shù)量有限。這些廠商主要通過企業(yè)獨(dú)立開發(fā)或集成商購買相關(guān)移動底盤及協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行二次開發(fā)的方式進(jìn)入市場。然而，近年來，移動機(jī)器人企業(yè)與協(xié)作機(jī)器人廠商的聯(lián)合開發(fā)趨勢逐漸明顯。
隨著科技的飛速發(fā)展和工業(yè)自動化需求的日益增長，國內(nèi)有多家企業(yè)開始積極投入對復(fù)合機(jī)器人的深入研究和開發(fā)（見表1）。
表1 國內(nèi)復(fù)合機(jī)器人部分企業(yè)及產(chǎn)品應(yīng)用情況
例如，新松產(chǎn)品集合了智能移動機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人等工作單元，采用視覺誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，可滿足企業(yè)智能化數(shù)字車間對整個機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動精度的要求。新松的復(fù)合機(jī)器人在工廠上下料、物料搬運(yùn)等方面有廣泛應(yīng)用，特別是在新冠疫情期間，其在客戶工廠中24小時不間斷工作，保證了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。
藍(lán)芯科技新一代復(fù)合機(jī)器人能夠依據(jù)實(shí)際操作場景靈活選擇激光或視覺SLAM導(dǎo)航技術(shù)，確保精準(zhǔn)定位與高效移動。該機(jī)器人機(jī)械臂的末端裝備了Wukong 3D視覺傳感器，機(jī)器人前端配置的Eagle 3D視覺傳感器，能有效探測地面高度超過3cm的障礙物，為機(jī)器人運(yùn)行提供額外的安全保障，進(jìn)一步確保作業(yè)環(huán)境的穩(wěn)定性和安全性。
優(yōu)艾智合工業(yè)設(shè)備巡檢機(jī)器人ARIS-IS集成多項先進(jìn)技術(shù)，包括設(shè)備精確識別、儀表智能檢測、空氣質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測以及振動狀態(tài)分析等功能，尤其適用于火電廠等復(fù)雜場景。
復(fù)合機(jī)器人融合機(jī)器視覺、自動化控制、機(jī)械手臂和傳感器等多種技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種任務(wù)的自動化作業(yè)。展望未來，復(fù)合機(jī)器人的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢：
首先，模塊化和定制化將成為重要方向。通過模塊化的設(shè)計，復(fù)合機(jī)器人可以更容易地進(jìn)行定制和擴(kuò)展，以適應(yīng)不同任務(wù)的需求。這將提高機(jī)器人的靈活性和適應(yīng)性，滿足智慧工廠等應(yīng)用場景的多樣化需求。
其次，人機(jī)協(xié)作共融將進(jìn)一步發(fā)展。復(fù)合機(jī)器人需要具備更強(qiáng)的人機(jī)協(xié)作能力，能夠與人類協(xié)同作業(yè)，共同執(zhí)行任務(wù)，理解人類的意圖，并適應(yīng)人類的工作環(huán)境。這將有助于提升生產(chǎn)效率，同時保障人類的安全。
此外，復(fù)合機(jī)器人的成本將逐步下降。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，將會有更多企業(yè)加入市場競爭，相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，使復(fù)合機(jī)器人的整體制造成本降低。
基于技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合機(jī)器人有望在更多領(lǐng)域提供創(chuàng)新解決方案。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，復(fù)合機(jī)器人可以用于手術(shù)輔助和康復(fù)治療；在教育領(lǐng)域，可以用于智能教學(xué)和互動學(xué)習(xí)。同時，復(fù)合機(jī)器人技術(shù)還將與柔性機(jī)器人技術(shù)、人工智能算法和傳感器技術(shù)進(jìn)一步融合，提升機(jī)器人的自主性、協(xié)作性和適應(yīng)性。這將推動多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)的構(gòu)建，并在其他行業(yè)中繼續(xù)拓展其應(yīng)用范圍。
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（來源物流技術(shù)與應(yīng)用）
