復(fù)合機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展綜述*

張廣才，張俊杰，蔡彥倫，何繼榮

（1.哈工大機(jī)器人 （揚(yáng)州）科創(chuàng)中心 人工智能研究所，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州哈工科創(chuàng)機(jī)器人研究院有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 揚(yáng)州 225000；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)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(jī)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(xiǎn)的、簡(jiǎn)單重復(fù)的生產(chǎn)作業(yè)中解放出來(lái)，顯著提高人類生活與生產(chǎn)的便捷性。機(jī)器人種類很多，如移動(dòng)用的機(jī)器人自主移動(dòng)平臺(tái)、工業(yè)用的機(jī)械臂機(jī)械手、語(yǔ)音機(jī)器人等。其中，復(fù)合機(jī)器人是建立在前期機(jī)器人技術(shù)之上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)得到的機(jī)器人品種。

復(fù)合機(jī)器人指由移動(dòng)底盤和機(jī)載裝置集成，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和附加功能的機(jī)器人。它包括作戰(zhàn)復(fù)合機(jī)器人（移動(dòng)平臺(tái)＋武器系統(tǒng)）、輪履復(fù)合機(jī)器人（輪子＋履帶）、AGV＋機(jī)械臂復(fù)合機(jī)器人、串并聯(lián)復(fù)合機(jī)器人等。其中，帶有移動(dòng)底盤和機(jī)械臂集成的，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和抓取任務(wù)的復(fù)合機(jī)器人是研究的主要方向。復(fù)合機(jī)器人并非簡(jiǎn)單的智能移動(dòng)底盤和機(jī)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(jué)技術(shù)、物體抓取技術(shù)等一系列高端技術(shù)通過(guò)合理手段進(jìn)行集成，是非常復(fù)雜的高科技產(chǎn)品。

復(fù)合機(jī)器人可以將其他機(jī)器人單一且前沿的功能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，如移動(dòng)機(jī)器人負(fù)重狀態(tài)下的自動(dòng)導(dǎo)航尋路功能、機(jī)械臂的抓取功能、語(yǔ)音機(jī)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(dòng)化水平，是機(jī)器人發(fā)展的重要方向。

1 復(fù)合機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

1.1 智能移動(dòng)底盤技術(shù)

智能移動(dòng)底盤技術(shù)主要包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)、地圖搭建、路線規(guī)劃以及自主導(dǎo)航。就機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式來(lái)講，目前普遍采用輪式、履帶式和腿式等運(yùn)動(dòng)方法［3］。比較而言，輪式移動(dòng)機(jī)器人盡管在運(yùn)動(dòng)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(fù)載大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)和控制相對(duì)方便、行進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)［4］。現(xiàn)階段復(fù)合機(jī)器人廠商都采用輪式移動(dòng)底盤，由伺服電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)底盤的運(yùn)動(dòng)。

環(huán)境地圖的構(gòu)建是移動(dòng)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(shí)現(xiàn)。SLAM技術(shù)是指機(jī)器人從未知環(huán)境的未知地點(diǎn)出發(fā)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)重復(fù)觀測(cè)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(dá)到同時(shí)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(dá)等），高度依賴掃描數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的地圖進(jìn)行對(duì)照匹配，以確定機(jī)器人的相對(duì)位姿，并與多分辨率的地圖配合使用（Hector＿SLAM［5］），或者結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)似然估計(jì)［6］。圖1為SLAM地圖構(gòu)建。

圖1 SLAM地圖構(gòu)建

移動(dòng)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(dá)指定位置的合理路線；并在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)的過(guò)程中避開(kāi)那些移動(dòng)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(duì) 于SLAM技術(shù)和基于先驗(yàn)地圖的導(dǎo)航技術(shù)在傳統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行嘗試，并得到了很好的應(yīng)用［9－10］。另外考慮到拓展市場(chǎng)的需要，這些算法應(yīng)能夠在低價(jià)的傳感器上運(yùn)行良好，并能夠取得較為精確的路徑規(guī)劃［11］。

1.2 機(jī)械臂技術(shù)

機(jī)械臂主要由運(yùn)動(dòng)元件、導(dǎo)向裝置、手臂組成，具有自由度高、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；但也存在零部件磨損、平衡性低等缺點(diǎn)。機(jī)械臂是機(jī)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(chǎng)上工業(yè)機(jī)械臂廠商主要有發(fā)那科、庫(kù)卡、安川、ABB四大家族：國(guó)內(nèi)比較知名的有萬(wàn)方自動(dòng)化、科馬等。

機(jī)械臂技術(shù)主要包括運(yùn)動(dòng)和軌跡規(guī)劃，其中機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)研究主要分為正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。如今正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析有D-H法；但對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，仍然需要開(kāi)創(chuàng)性研究和發(fā)展［12－13］。

2 復(fù)合機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 復(fù)合機(jī)器人國(guó)外研究現(xiàn)狀

1980年以來(lái)，國(guó)外開(kāi)始研究復(fù)合機(jī)器人。1984年，德國(guó)的弗勞恩霍發(fā)明了一種可移動(dòng)機(jī)械臂，命名為MORO，它被認(rèn)為是最早的輪式移動(dòng)機(jī)械臂樣機(jī)模型。但由于理論研究尚未成熟，MORO并未能投入市場(chǎng)［14］。20世紀(jì)90年代以來(lái)，越來(lái)越多的研究者們開(kāi)始了復(fù)合機(jī)器人的研究。1996年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員研制的一款復(fù)合機(jī)器人可以在外界環(huán)境中實(shí)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(jī)器人。PR2采用輪式移動(dòng)底盤，有兩條機(jī)械臂，每條機(jī)械臂具有7個(gè)關(guān)節(jié)，手被制作成夾緊機(jī)構(gòu)；頭部、軀干、關(guān)節(jié)、夾緊機(jī)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(jiǎn)單性的任務(wù)，如開(kāi)關(guān)門窗、自主充電、拾取遞送物品、與工作人員進(jìn)行娛樂(lè)互動(dòng)等等。

Kuka公司推出一款名為KMR iiwa的機(jī)器人（見(jiàn)圖2），它擁有智能移動(dòng)底盤和機(jī)械臂，可視作典型的復(fù)合機(jī)器人。該機(jī)器人可以在狹窄的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確定位，車輛和機(jī)器人都由鋰離子電池直接供電。

圖2 KMR iiwa復(fù)合機(jī)器人

Fetch Rbotics公司于2015年研究成功一套用于倉(cāng)儲(chǔ)的復(fù)合機(jī)器人，如圖3所示。其中一個(gè)機(jī)器人名為Fetch，有一個(gè)機(jī)械臂搭載在移動(dòng)底盤上，利用基于ROS開(kāi)發(fā)的各種移動(dòng)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(jī)器人上，由另一機(jī)器人運(yùn)輸。

圖3 Fetch復(fù)合機(jī)器人

2.2 復(fù)合機(jī)器人國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也對(duì)復(fù)合機(jī)器人進(jìn)行了研究。2016年王鑫研究了基于雙目視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)械臂抓取控制［16］，同年高斌研究了該類裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。

市場(chǎng)方面，國(guó)內(nèi)復(fù)合機(jī)器人以新松、仙知為主。新松采用自家機(jī)械臂和移動(dòng)底盤，擁有長(zhǎng)期的研究成果，于2015年推出第一款復(fù)合機(jī)器人HCR20，如圖4所示。該機(jī)器人采用自然輪廓導(dǎo)航技術(shù)，有效負(fù)載達(dá)20 kg，其機(jī)械臂與移動(dòng)底盤安全互鎖，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的遠(yuǎn)程移動(dòng)操作，至今賣出數(shù)百臺(tái)，是國(guó)內(nèi)復(fù)合機(jī)器人研究成果市場(chǎng)轉(zhuǎn)化的成功案例。

圖4 新松復(fù)合機(jī)器人

此外，國(guó)內(nèi)還有大族、青島海通等公司進(jìn)行了復(fù)合機(jī)器人的生產(chǎn)。由于成果積累不夠深厚，研發(fā)費(fèi)用較高，開(kāi)發(fā)復(fù)合機(jī)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(jìn)行復(fù)合機(jī)器人研發(fā)，如哈工大、普華靈動(dòng)、浙江科鈦、智偉達(dá)、米克力美、廣州亞陸、西安艾優(yōu)智合等。圖5為國(guó)內(nèi)復(fù)合機(jī)器人產(chǎn)品。

圖5 國(guó)內(nèi)復(fù)合機(jī)器人產(chǎn)品

3 復(fù)合機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域

復(fù)合機(jī)器人在工廠及倉(cāng)儲(chǔ)物流領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，如在機(jī)床上料、機(jī)床工具更換、質(zhì)量檢驗(yàn)、過(guò)程鏈接等環(huán)節(jié)均有不同程度的應(yīng)用。復(fù)合機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)車間的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jī)器人能夠完全自主移動(dòng)，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(hào)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(duì)工廠無(wú)人生產(chǎn)和非標(biāo)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(jī)器人的主要服務(wù)是語(yǔ)音交流、智能看護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等，對(duì)于老人由于實(shí)際行動(dòng)不便而造成的生活上的問(wèn)題并未得到很好的解決。而復(fù)合機(jī)器人的出現(xiàn)可以幫助老弱病殘運(yùn)送物品、攙扶引路，大大緩解了老人因行動(dòng)不便而帶來(lái)的各種麻煩。機(jī)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(yuǎn)的未來(lái)，養(yǎng)老服務(wù)將成為復(fù)合機(jī)器人的重要應(yīng)用市場(chǎng)［18－20］。

3.3 文娛教育領(lǐng)域

游樂(lè)場(chǎng)、博物館、科技館等公共服務(wù)場(chǎng)所大多設(shè)置了服務(wù)機(jī)器人，這些服務(wù)機(jī)器人的功能主要是導(dǎo)游和咨詢，無(wú)法完成進(jìn)一步的人機(jī)互動(dòng)。復(fù)合機(jī)器人搭配語(yǔ)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(dòng)底盤、機(jī)械臂的使用，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)游、引路、行李搬運(yùn)甚至陪玩互動(dòng)等服務(wù)。機(jī)器人工作穩(wěn)定，不會(huì)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(jiǎn)要介紹了復(fù)合機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了復(fù)合機(jī)器人的應(yīng)用前景。盡管各行各業(yè)對(duì)復(fù)合機(jī)器人有強(qiáng)烈需求，但其廣泛使用還需進(jìn)一步的技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)驗(yàn)證。復(fù)合機(jī)器人的研發(fā)難點(diǎn)在于需要對(duì)移動(dòng)底盤和機(jī)械臂兩個(gè)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(shí)，未來(lái)哪個(gè)模塊作為研發(fā)核心，也是復(fù)合機(jī)器人技術(shù)發(fā)展必須面臨的抉擇。