復合型移動機器人技術進展與應用前景

穆龍濤，權 超，潘冠廷，周云飛

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院，陜西 咸陽 712000；2.復合型移動機器人陜西省高校工程研究中心，陜西 咸陽 712000；3.西安財經(jīng)大學管理學院，陜西 西安 710100）

0 引言

復合型移動機器人（Compound Mobile Robots，CMRs）是一種能夠在復雜環(huán)境中完成多種任務的機器人系統(tǒng)，具有越來越廣泛的應用[1]。隨著科技的不斷進步，復合型移動機器人的功能和性能不斷提升，成為了人工智能、機器人技術等領域的前沿研究方向之一[2]。復合型移動機器人是一類具有多種移動方式和多功能操作的機器人系統(tǒng)[3]。CMRs 具有高度的靈活性和適應性，可以在不同的環(huán)境中完成多種任務，在軍事、醫(yī)療、救援、農(nóng)業(yè)和探索等領域得到廣泛應用，如圖1 所示。各大高校、企業(yè)及研究院所對復合型移動機器人應用及研究的現(xiàn)狀，如表1 所示。

表1 復合型移動機器人發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢

圖1 復合型移動機器人案例

復合型移動機器人在農(nóng)業(yè)領域的應用可以大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量[4]。通過利用先進的技術，這些機器人可以實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)，如精準施肥、精準噴藥、精準種植等，從而使農(nóng)作物得到更好的生長和發(fā)展，減少浪費和損失。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方法相比，復合型移動機器人可以更快速、更準確地完成工作，同時減少對人力資源的依賴，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。此外，這些機器人可以自主運行，避免了人為因素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，從而確保了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，復合型移動機器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用前景非常廣闊，將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型起到重要的推動作用。

復合型移動機器人系統(tǒng)可以在不同環(huán)境下執(zhí)行各種任務[5]，其中包括核電站的檢測和維護、搜救任務、災難響應、探測和檢查以及農(nóng)業(yè)應用等。這些機器人系統(tǒng)都配備了先進的傳感器和視覺系統(tǒng)，以幫助機器人感知周圍環(huán)境并執(zhí)行任務。系統(tǒng)多由一個輪式底盤和一個可伸縮的機械臂或腿組成，可以適應不同的地形和環(huán)境條件[6]。同時，這些系統(tǒng)還配備了一套視覺和傳感器系統(tǒng)，以幫助機器人感知周圍環(huán)境并進行精確的操作[7]。相關文獻提供了有關復合型移動機器人系統(tǒng)的設計、控制和實現(xiàn)的詳細信息，為未來的研究和開發(fā)提供了重要的參考[8-15]。

本文將從復合型移動機器人的概念和分類、技術特點、應用以及未來研究方向等方面進行綜述。其中，第一部分主要介紹了復合型移動機器人特點及分類；第二部分重點介紹了其核心技術，包括定位與導航、路徑規(guī)劃、協(xié)同控制、多傳感器融合等；第三部分對復合型移動機器人在不同領域中的應用進行了綜述。最后，對未來研究方向進行了探討及展望。

1 復合型移動機器人的特點及分類

復合型移動機器人是一種由多個移動機器人組成的系統(tǒng)，通過協(xié)同工作實現(xiàn)特定的任務。它可以根據(jù)需要進行組合，形成不同的結構和功能，具有良好的靈活性和可擴展性[16]。CMRs 的應用領域?qū)絹碓綇V泛，包括軍事、醫(yī)療、救援、探索、制造等領域；同時，CMRs 的控制系統(tǒng)、設計和制造技術也將不斷創(chuàng)新和完善，為CMRs 的應用提供更好的支持和保障。

1.1 復合型移動機器人的特點

1）多種移動方式。傳統(tǒng)的移動機器人通常只具備一種或有限的移動方式，如輪式、履帶式或腿式等。而CMRs 結合了多種移動方式，包括輪式、履帶式、腿式、飛行器、水下機器人等。這種多樣性使得CMRs 能夠適應不同的地形和環(huán)境，具有更廣泛的應用前景。

2）多功能操作。CMRs 可以進行多種任務，如偵察、救援、運輸、勘探、維護等。在軍事領域，CMRs 可以被用于偵察和搜尋任務，可以在危險的環(huán)境中執(zhí)行任務，如炸彈拆除、邊境巡邏等。在醫(yī)療領域，CMRs 可以被用于手術和康復等任務。在探索領域，CMRs 可以被用于探索行星、極地和深海等環(huán)境。

3）多元化的控制系統(tǒng)。CMRs 具有多種移動方式和多功能操作，需要一個高效、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。研究人員利用先進的控制算法和傳感器技術，開發(fā)了多控制器、分層控制、協(xié)同控制等控制策略，以實現(xiàn)CMRs 的高效控制。

4）創(chuàng)意設計和制造。CMRs 的設計和制造需要考慮多種因素，如機器人體積、質(zhì)量、能量和耐久性等。為了滿足多種任務需求，研究人員在機器人的設計和制造中采用了多種材料和技術，如3D 打印、納米技術、智能材料等。

1.2 復合型移動機器人的分類

根據(jù)不同的組合方式和任務要求[17]，復合型移動機器人可以分為以下幾類：

1）單元式復合型移動機器人。單元式復合型移動機器人是由多個相同或相似的機器人單元組成的系統(tǒng)，每個單元可以獨立工作，也可以通過無線通信協(xié)同工作，完成特定的任務。這種機器人系統(tǒng)結構簡單，易于實現(xiàn)，具有良好的可擴展性和適應性。例如，由多個小型機器人組成的探測器可以在火災等危險環(huán)境中進行探測和救援。

2）模塊式復合型移動機器人。模塊式復合型移動機器人是由多個不同類型的機器人模塊組成的系統(tǒng)，每個模塊具有不同的功能和任務。這種機器人系統(tǒng)具有較高的智能化和靈活性，可以根據(jù)需要進行組合和重構，以適應不同的任務需求。例如，由多個機械臂、移動平臺和傳感器組成的機器人系統(tǒng)可以完成物料搬運、工件加工和檢測等工作。

3）混合式復合型移動機器人?；旌鲜綇秃闲鸵苿訖C器人是由多個不同類型的機器人組成的系統(tǒng)，包括單元式機器人和模塊式機器人。這種機器人系統(tǒng)具有較高的靈活性和可擴展性，可以根據(jù)需要進行組合和重構，以適應不同的任務需求。例如，由多個移動機器人和飛行器組成的系統(tǒng)可以完成地面和空中的聯(lián)合偵察和監(jiān)測任務。

2 復合型移動機器人的核心技術

復合型移動機器人的核心技術包括定位與導航、路徑規(guī)劃、協(xié)同控制、多傳感器融合等[18-19]。

2.1 定位與導航

復合型移動機器人需要精確的定位和導航技術，以實現(xiàn)準確的運動控制和任務執(zhí)行。目前，常用的定位和導航技術包括慣性導航、全球定位系統(tǒng)（GPS）、視覺導航、激光雷達等。其中，慣性導航具有高精度、高可靠性和實時性好等優(yōu)點，但存在積累誤差和漂移等問題；GPS 具有全球覆蓋、定位精度高等優(yōu)點，但在室內(nèi)和城市峽谷等環(huán)境中有信號遮擋和干擾等問題；視覺導航可以通過攝像機等傳感器獲取環(huán)境信息，可以實現(xiàn)室內(nèi)和室外的定位和導航，但對光照、陰影等影響較大；激光雷達可以對環(huán)境進行高精度的三維測量，可以實現(xiàn)避障、地圖構建等功能，但成本較高。

2.2 路徑規(guī)劃

復合型移動機器人需要進行路徑規(guī)劃，以實現(xiàn)特定任務的路徑規(guī)劃和避障。目前，常用的路徑規(guī)劃算法包括A 算法、D 算法、RRT 算法等。其中，A 算法具有較高的搜索效率和較小的內(nèi)存消耗，但對環(huán)境的障礙物要求較高；D 算法可以在動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)路徑規(guī)劃，但計算復雜度較高；RRT 算法可以實現(xiàn)高效的路徑規(guī)劃和避障，但對機器人的動態(tài)響應和控制精度要求較高。

2.3 協(xié)同控制

復合型移動機器人需要進行協(xié)同控制，以實現(xiàn)多機器人之間的協(xié)同工作和任務分配。目前，常用的協(xié)同控制算法包括分布式控制、集中式控制、博弈論控制等。其中，分布式控制具有較高的靈活性和穩(wěn)定性，但需要考慮通信延遲等問題；集中式控制可以實現(xiàn)較高的控制精度和效率，但對通信帶寬和計算能力要求較高；博弈論可用于研究決策者在相互影響的環(huán)境中做出決策的理論，博弈論控制可以實現(xiàn)多機器人之間的協(xié)同決策和資源分配。

2.4 多傳感器融合

多傳感器融合技術是復合型移動機器人實現(xiàn)環(huán)境感知和任務執(zhí)行的關鍵技術。它通過使用多種傳感器，如視覺傳感器、激光雷達、超聲波傳感器等，對機器人周圍的環(huán)境進行感知和建模，并將不同傳感器獲得的信息進行融合，提高機器人的感知能力和執(zhí)行效率。

3 復合型移動機器人在不同領域中的應用和未來研究方向

3.1 不同領域中的應用

復合型移動機器人具有廣泛的應用前景，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領域中得到了廣泛的應用[20]。下面將對其中幾個領域的應用進行簡要介紹。復合型移動機器人應用場景，如圖2 所示。

圖2 復合型機器人應用場景

1）農(nóng)業(yè)領域。復合型移動機器人在農(nóng)業(yè)領域中的應用主要包括農(nóng)作物種植、噴灌、施肥和病蟲害防治等。例如，由多個移動機器人和機械臂組成的系統(tǒng)可以在大田中完成自動化的種植、噴灌和施肥等工作，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。一些移動機器人還可以配備高精度的傳感器和視覺系統(tǒng)，以檢測和識別農(nóng)作物的病蟲害，從而提供精確的防治措施。這些機器人系統(tǒng)可以減少人工操作的勞動力和成本，同時提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和可持續(xù)性，對于解決未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的問題具有重要意義。

2）醫(yī)療領域。復合型移動機器人在醫(yī)療領域中的應用主要包括手術輔助、康復訓練和生命救援等。例如，由多個移動機器人和傳感器組成的系統(tǒng)可以在手術中進行定位和導航，實現(xiàn)精準的手術操作和快速恢復。移動機器人還可以用于康復訓練，例如在物理治療中，機器人可以幫助患者進行肌肉鍛煉和運動訓練，促進康復和恢復。在生命救援方面，移動機器人可以通過遠程監(jiān)測和控制，實現(xiàn)自動化救援和搶救工作，提高救援效率和成功率。這些機器人系統(tǒng)可以減少醫(yī)療人員的負擔和勞動強度，同時提高醫(yī)療服務的質(zhì)量和效率，對于人類健康事業(yè)具有重要意義。

3）環(huán)境監(jiān)測領域。復合型移動機器人在環(huán)境監(jiān)測領域中的應用主要包括大氣污染、水質(zhì)監(jiān)測和垃圾清理等。例如，由多個移動機器人和傳感器組成的系統(tǒng)可以在城市中進行空氣和水質(zhì)監(jiān)測，實現(xiàn)及時的環(huán)境污染監(jiān)測和應急處理。移動機器人還可以用于垃圾清理，例如在海灘、公園等場所，機器人可以幫助清理垃圾和污染物，保持環(huán)境的清潔和衛(wèi)生。這些機器人系統(tǒng)可以減少人工操作的勞動力和成本，同時提高環(huán)境監(jiān)測和清理的效率和精度，對于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3.2 未來研究方向

復合型移動機器人的未來研究方向包括提高機器人的感知能力、智能化水平和協(xié)作能力，以實現(xiàn)更加復雜和多樣化的任務。具體包括以下幾個方面：

1）多模態(tài)感知技術。多模態(tài)感知技術可以提高機器人的感知能力和環(huán)境建模精度，包括視覺、聲音、力量等多種感知模態(tài)的融合和處理。

2）自主學習技術。自主學習技術可以提高機器人的智能化水平和適應性，包括深度學習、強化學習等算法的應用和優(yōu)化。

3）協(xié)同控制技術。協(xié)同控制技術可以提高機器人的協(xié)作能力和任務分配效率，包括分布式控制、群體智能等算法的應用和優(yōu)化。

4）跨平臺集成技術?？缙脚_集成技術可以提高機器人的可擴展性和通用性，包括機器人操作系統(tǒng)、通信協(xié)議等技術的研究和開發(fā)。

復合型移動機器人在不同領域的應用具有廣闊的前景，但目前還存在一些問題需要解決。包括運動控制、傳感器融合、任務分配、機器人智能化、安全性和能源管理等問題。解決這些問題可以提高機器人的性能和工作效率，促進機器人的發(fā)展和應用。待解決的問題包括以下幾個方面：

1）運動控制問題。如何通過多個運動部件的協(xié)同控制，使復合型移動機器人實現(xiàn)高效穩(wěn)定的移動。

2）傳感器融合問題。如何將多種傳感器信息進行融合，提高復合型移動機器人的感知能力和環(huán)境適應性。

3）任務分配問題。如何根據(jù)任務需求和機器人自身能力，合理分配并協(xié)同完成任務。

4）機器人智能化問題。如何通過自主學習、計算機視覺等技術，提高機器人的智能化水平，實現(xiàn)更加智能化的移動和操作。

5）安全性問題。如何保證復合型移動機器人在移動和操作過程中的安全，防止意外事故發(fā)生。

6）能源管理問題。如何通過優(yōu)化機器人能源管理，延長機器人的使用壽命，提高機器人的工作效率。

4 結語

本文綜述了復合型移動機器人的發(fā)展歷程、技術特點以及研究現(xiàn)狀。復合型移動機器人作為一種能夠在復雜環(huán)境中完成多種任務的機器人系統(tǒng)，具有越來越廣泛的應用前景。要提高機器人的工作效率，未來的研究方向應包括提高機器人的感知能力、智能化水平和協(xié)作能力，以實現(xiàn)更加復雜和多樣化的任務。