中國(guó)復(fù)合機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用概述

作為一種集成移動(dòng)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(dòng)底盤、機(jī)械臂、視覺(jué)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(dòng)控制及決策制定等多個(gè)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(shí)別及地形起伏等?；谶@些信息，路徑規(guī)劃模塊結(jié)合目標(biāo)位置，計(jì)算出移動(dòng)路徑。運(yùn)動(dòng)控制模塊則指揮機(jī)器人沿規(guī)劃路徑行進(jìn)。面對(duì)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(duì)自如。

目前，適用于室內(nèi)場(chǎng)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(jué)導(dǎo)航等技術(shù)；在室外場(chǎng)景中，主要有慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航。其中，SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)具有實(shí)時(shí)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(lái)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(dòng)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(jué)跟蹤、激光雷達(dá)跟蹤和超聲波跟蹤等方法。視覺(jué)跟蹤利用攝像頭捕捉目標(biāo)圖像，通過(guò)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(guò)發(fā)射激光束并接收反射信號(hào)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(hào)計(jì)算目標(biāo)距離，成本較低，但精度和抗干擾能力相對(duì)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(kāi)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同目標(biāo)檢測(cè)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(jì)算、邊緣計(jì)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(jiàn)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(dòng)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(kāi)始涌現(xiàn)，未來(lái)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(guò)融合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主識(shí)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(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)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(yǔ)音識(shí)別和手勢(shì)識(shí)別兩大核心技術(shù)。其中，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)精準(zhǔn)捕捉并解析人類語(yǔ)音指令，實(shí)現(xiàn)用戶與機(jī)器無(wú)縫對(duì)話，提升信息輸入效率；手勢(shì)識(shí)別技術(shù)捕捉并分析用戶手部動(dòng)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(guò)讀取用戶腦電波信號(hào)實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器深度連接，推動(dòng)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(jì)算過(guò)程數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，發(fā)揮云層高通量計(jì)算能力和邊緣層高時(shí)效計(jì)算能力，共同支撐系統(tǒng)運(yùn)行。云計(jì)算技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成其核心支撐。邊緣計(jì)算設(shè)備迅速處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將復(fù)雜計(jì)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]