【專題特供】復(fù)合機(jī)器人研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展挑戰(zhàn)

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為更大程度挖掘和發(fā)揮智能機(jī)器人裝備的能力，國內(nèi)外眾多專家、機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在研究和開發(fā)復(fù)合機(jī)器人。北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，機(jī)械工業(yè)服務(wù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陶永結(jié)合長期的研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)觀察，為我們介紹了復(fù)合機(jī)器人的研究進(jìn)展、應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢等業(yè)界關(guān)心的內(nèi)容。

喜崇彬

當(dāng)前，關(guān)于復(fù)合機(jī)器人技術(shù)和應(yīng)用的研究方興未艾。一方面，復(fù)合機(jī)器人的市場應(yīng)用具有非常大的發(fā)展?jié)摿?；另一方面，關(guān)于復(fù)合機(jī)器人的技術(shù)研究和功能拓展也面臨諸多挑戰(zhàn)。為此，我們專門采訪了北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，機(jī)械工業(yè)服務(wù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陶永。作為長期深入研究機(jī)器人及其智能技術(shù)的專家，他不僅為我們介紹了目前復(fù)合機(jī)器人研究的進(jìn)展情況，還對復(fù)合機(jī)器人的市場應(yīng)用前景和技術(shù)發(fā)展趨勢提供了深刻見解。

陶永

北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，機(jī)械工業(yè)服務(wù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任

復(fù)合機(jī)器人研究方興未艾

記者：請問學(xué)術(shù)界是如何定義復(fù)合機(jī)器人的？關(guān)于復(fù)合機(jī)器人的研究是如何發(fā)展起來的？現(xiàn)在已進(jìn)展到怎樣的階段？

陶永：我們認(rèn)為，復(fù)合機(jī)器人是指由移動平臺、機(jī)械臂、視覺模組、末端執(zhí)行器等組成，利用多種機(jī)器人學(xué)相關(guān)原理，融合環(huán)境感知、定位與導(dǎo)航、移動操作、人工智能、機(jī)械電子、智能傳感器等技術(shù)，集成移動機(jī)器人與機(jī)械臂功能的新型機(jī)器人。因此，復(fù)合機(jī)器人同時具備兩種機(jī)器人的能力：第一，復(fù)合機(jī)器人具備協(xié)作機(jī)器人利用機(jī)械臂完成各種動作的能力；第二，復(fù)合機(jī)器人也如移動機(jī)器人那樣具備移動、導(dǎo)航和定位的能力。

機(jī)器人是代表人類先進(jìn)工業(yè)制造水平和智能技術(shù)發(fā)展的先進(jìn)裝備。協(xié)作機(jī)器人和移動機(jī)器人在工業(yè)制造或物流作業(yè)中都已有較長時間的應(yīng)用。不過，傳統(tǒng)協(xié)作機(jī)器人的作業(yè)位置是固定的，作業(yè)功能通常也是固定的；傳統(tǒng)移動機(jī)器人通常只有物料搬運(yùn)的功能。這導(dǎo)致它們都很難根據(jù)自動化生產(chǎn)線或物流倉庫的作業(yè)變化做出靈活調(diào)整和部署，也無法適應(yīng)智能化、數(shù)字化、柔性化的生產(chǎn)方式。

然而，如今的制造業(yè)或物流服務(wù)業(yè)往往都面臨多變的需求。例如，在3C產(chǎn)業(yè)的手機(jī)制造業(yè)中，產(chǎn)線多品規(guī)生產(chǎn)、產(chǎn)品頻繁的升級換代都是常態(tài)；在電商行業(yè)中，物流倉庫要面臨不斷變化的銷售商品品規(guī)及不定期的各類促銷活動。這些都迫使相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)或物流作業(yè)要具備高效和柔性的生產(chǎn)作業(yè)能力。

作業(yè)中的復(fù)合機(jī)器人

為了解決這一問題，更大程度挖掘和發(fā)揮機(jī)器人裝備的能力，國內(nèi)外很多企業(yè)和科研院所開始研究和開發(fā)復(fù)合機(jī)器人。實(shí)際上，國際相關(guān)的制造業(yè)強(qiáng)國對于復(fù)合機(jī)器人的研究較早，但由于市場需求、工業(yè)應(yīng)用場景的局限性，復(fù)合機(jī)器人尚未打開應(yīng)用市場。而我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)近些年發(fā)展迅速，從2014年開始，連續(xù)七年成為全球最大需求和應(yīng)用市場，機(jī)器人相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品也從單純模仿向自主研發(fā)探索和高端化轉(zhuǎn)型，已經(jīng)在世界市場占有重要的一席之地。而針對復(fù)合機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，正是中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一。

記者：復(fù)合機(jī)器人具體是由哪些核心部件或子系統(tǒng)組成的？各部件或者子系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r如何？

陶永：復(fù)合機(jī)器人是一種由多系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合裝備。從硬件層面看，復(fù)合機(jī)器人的下面部分是移動底盤，這一移動底盤與自動導(dǎo)引車AGV或自主移動平臺AMR類似，就像“腳”一樣使復(fù)合機(jī)器人能夠整體移動，實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域的轉(zhuǎn)移擴(kuò)展。移動底盤主要是輪式或履帶式的，可針對不同的移動作業(yè)環(huán)境或場景。當(dāng)然，還有的機(jī)器人通過腿式裝置實(shí)現(xiàn)移動功能，廣義上也可以稱為復(fù)合機(jī)器人，但是一般把它們放在仿生機(jī)器人或人形機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行研究。

復(fù)合機(jī)器人的上面部分是機(jī)械臂，根據(jù)作業(yè)需求不同，機(jī)械臂的末端執(zhí)行器（就是“手”）部分可以安裝不同裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抓取、裝配、噴涂或打磨等不同動作功能。

為實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人底盤移動和機(jī)械臂各種作業(yè)的功能，復(fù)合機(jī)器人各個部分集成安裝有各種類型的傳感器，是構(gòu)成機(jī)器人感知系統(tǒng)的重要部件。傳感器的類型有視覺傳感器、激光傳感器、力覺/觸覺傳感器、聲音傳感器等多種類型。隨著技術(shù)進(jìn)步，各種類型的傳感器功能愈發(fā)強(qiáng)大，更精準(zhǔn)和更敏感，而且制造成本也大幅降低。這都給復(fù)合機(jī)器人的功能升級和應(yīng)用拓展提供了強(qiáng)有力支持。

從軟件層面看，機(jī)器人操作系統(tǒng)必不可少，可以說是機(jī)器人的“大腦”，是構(gòu)成機(jī)器人系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)功能的重要組成部分。機(jī)器人操作系統(tǒng)從軟件層面定義了機(jī)器人的功能和特性。與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)相比，機(jī)器人操作系統(tǒng)在軟件架構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制、功能、人機(jī)交互方式、使用等方面有自己的特點(diǎn)。

目前比較流行的開源的機(jī)器人操作系統(tǒng)，包括ROS系統(tǒng)、機(jī)器人嵌入式Linux操作系統(tǒng)。其中，ROS系統(tǒng)起源于2007年斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室與機(jī)器人技術(shù)公司W(wǎng)illowGarage的個人機(jī)器人項(xiàng)目（personalrobotsprogram）的合作；它是一個開源的元級操作系統(tǒng)（后操作系統(tǒng)），提供了一些標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)。

機(jī)器人嵌入式Linux操作系統(tǒng)是指在機(jī)器人系統(tǒng)中使用的一種嵌入式操作系統(tǒng)，其核心是Linux系統(tǒng)。這些開源操作系統(tǒng)給復(fù)合機(jī)器人的技術(shù)探索和功能研發(fā)提供了極大便利。但是在實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用中，由于更多的復(fù)合機(jī)器人應(yīng)用項(xiàng)目是定制開發(fā)的，為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，還是需要開發(fā)專用的復(fù)合機(jī)器人操作系統(tǒng)。

復(fù)合機(jī)器人應(yīng)用前景廣闊

記者：據(jù)您了解，目前復(fù)合機(jī)器人在哪些行業(yè)或領(lǐng)域有著具體應(yīng)用？其發(fā)展前景如何？

陶永：根據(jù)我們研究團(tuán)隊(duì)的調(diào)研，目前國內(nèi)復(fù)合機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)和領(lǐng)域主要集中在半導(dǎo)體、智能巡檢、3C、高端機(jī)床加工、新能源汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域，應(yīng)用客戶普遍為自動化程度較高的企業(yè)。

復(fù)合機(jī)器人的應(yīng)用，需要緊貼客戶的需求形成具體的解決方案。如適合新能源電池生產(chǎn)的自動掛接機(jī)器人、能進(jìn)行快速分揀的料箱機(jī)器人、雙車聯(lián)動重卡裝配線機(jī)器人等。未來幾年，這種技術(shù)與應(yīng)用深度融合的趨勢將會延續(xù)和發(fā)展。復(fù)合機(jī)器人行業(yè)將會打造更明確的價值輸出，通過各種技術(shù)創(chuàng)新，加速實(shí)現(xiàn)技術(shù)與應(yīng)用之間的整合。

具體到作業(yè)功能環(huán)節(jié)，復(fù)合機(jī)器人可以在工業(yè)生產(chǎn)線上進(jìn)行物料搬運(yùn)、裝配、噴涂、打磨等操作和作業(yè)；可以在倉儲與物流領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的貨物存儲和分揀；可以在醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域提供精確的物品運(yùn)輸、傳遞和康復(fù)治療；可以在賓館等商業(yè)化服務(wù)場景中完成清掃與清潔等作業(yè)；還可以在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行農(nóng)作物的采摘等。

總的來說，我們認(rèn)為復(fù)合機(jī)器人擁有廣泛的應(yīng)用前景，能為人們的生活和工作帶來極大便利和效益。

記者：在您看來，如何更好地推廣復(fù)合機(jī)器人在各個行業(yè)或不同場景中的應(yīng)用？

陶永：需要強(qiáng)調(diào)的是，復(fù)合機(jī)器人天生就不是為替換單一工位而生的，它的價值在于使用一臺機(jī)器人取代多個人工或者多臺機(jī)器人的應(yīng)用場景。因此，研發(fā)復(fù)合機(jī)器人技術(shù)、開發(fā)復(fù)合機(jī)器人功能，必須注意復(fù)合機(jī)器人功能的可拓展性，以保證復(fù)合機(jī)器人能夠執(zhí)行多種任務(wù)，具有靈活性和多樣性。

目前，包括我們在內(nèi)的眾多研究團(tuán)隊(duì)都已開始研究移動底盤上搭載雙機(jī)械臂的復(fù)合機(jī)器人。與單臂單“手”的機(jī)器人相比，雙臂雙“手”的機(jī)器人無疑能夠?qū)崿F(xiàn)更多復(fù)雜動作，應(yīng)用場景也大大拓展。

此外，在復(fù)合機(jī)器人的應(yīng)用推廣過程中，一定要考慮產(chǎn)品的性價比?？蛻羝髽I(yè)選擇使用復(fù)合機(jī)器人產(chǎn)品，也會更多地從商業(yè)投資的角度進(jìn)行衡量，會考慮產(chǎn)品的性價比、投入產(chǎn)出比。因此，我們在研發(fā)技術(shù)和開發(fā)產(chǎn)品時，要考慮為用戶提供高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)和解決方案。

從長遠(yuǎn)角度來看，我們國家自己掌握相關(guān)軟硬件的核心技術(shù)，更有利于相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)的長久和持續(xù)發(fā)展。而且隨著技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，復(fù)合機(jī)器人產(chǎn)品也有望進(jìn)一步降低制造和使用成本，更廣泛地走入到生產(chǎn)和生活服務(wù)場景中去。

復(fù)合機(jī)器人在cnc行業(yè)的應(yīng)用

復(fù)合機(jī)器人發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

記者：在您看來，哪些科技進(jìn)步促進(jìn)了復(fù)合機(jī)器人研究或產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？

陶永：如今，人工智能技術(shù)、大模型技術(shù)、自動控制技術(shù)、工業(yè)視覺技術(shù)、5G與云平臺等技術(shù)的發(fā)展，已為復(fù)合機(jī)器人技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)帶來巨大支持，實(shí)現(xiàn)了交叉融合的快速發(fā)展。例如，自動化控制技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)視覺等新型智能傳感器的快速發(fā)展，大幅提升了復(fù)合機(jī)器人的控制精度與效果，使復(fù)合機(jī)器人的功能多樣性和可擴(kuò)展性得以增加。而“5G+云+AI”相關(guān)技術(shù)的結(jié)合，5G的可靠網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算的海量算力、AI的應(yīng)用智能相互協(xié)同，更是極大提升了復(fù)合機(jī)器人的功能和能力，使復(fù)合機(jī)器人成為數(shù)字化生產(chǎn)體系中的重要工具和動力引擎。

在具體作業(yè)環(huán)境中，復(fù)合機(jī)器人通常與其他搬運(yùn)機(jī)器人或智能裝備配合使用，這涉及大規(guī)模調(diào)度和多機(jī)協(xié)同等技術(shù)。復(fù)合機(jī)器人在智慧工廠中的應(yīng)用，如自動化物料運(yùn)輸和機(jī)床的上下料，都是對AGV技術(shù)的繼承與拓展，包括機(jī)器人的自定位、精確操作、協(xié)同控制以及安全避障等技術(shù)要求。此外，復(fù)合機(jī)器人在執(zhí)行具體的工藝操作時，需要考慮抓取順序和路徑優(yōu)化，因此機(jī)器人系統(tǒng)的集成技術(shù)對于復(fù)合機(jī)器人的應(yīng)用也十分重要。

從未來發(fā)展的角度看，具身智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、大模型、新型傳感器等技術(shù)將對復(fù)合機(jī)器人未來的技術(shù)研發(fā)產(chǎn)生重大影響。未來的復(fù)合機(jī)器人必然是高度智能化的裝備，而人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的進(jìn)步，將使復(fù)合機(jī)器人在技能學(xué)習(xí)、遷移與泛化，機(jī)器人仿真訓(xùn)練和高性能計(jì)算等方面實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，使復(fù)合機(jī)器人擁有更高的智能化水平、更強(qiáng)大的作業(yè)能力。

記者：對于復(fù)合機(jī)器人的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我們面臨哪些具體的挑戰(zhàn)？

陶永：復(fù)合機(jī)器人的研究和開發(fā)是一個復(fù)雜的科研項(xiàng)目，涉及機(jī)械、電子、控制、傳感器等多個學(xué)科領(lǐng)域，與很多前沿科學(xué)互有關(guān)聯(lián)，需要持續(xù)研發(fā)和迭代發(fā)展，因此需要一個強(qiáng)大的支撐體系。目前，國家層面高度重視該領(lǐng)域的研究，并有相應(yīng)的研究和開發(fā)計(jì)劃，我們北京航空航天大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也參與其中，且取得了相關(guān)的研究成果。隨著完善的復(fù)合機(jī)器人產(chǎn)學(xué)研用體系的建立，及核心關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)攻關(guān)和推進(jìn)，相信我們國家的復(fù)合機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)品能夠在世界上占有更加重要的地位。

陶永教授參與編著的《復(fù)合機(jī)器人技術(shù)及典型應(yīng)用》已出版

從市場推廣角度看，我再次強(qiáng)調(diào)技術(shù)和產(chǎn)品性價比的重要性。盡管復(fù)合機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，還是希望國家從政策層面能夠給予支持，使復(fù)合機(jī)器人的應(yīng)用能形成示范效應(yīng)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。對于技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)的企業(yè)來說，如果能形成一定的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，使得研發(fā)機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)在技術(shù)應(yīng)用或部件采購時能形成規(guī)模效應(yīng)，并降低成本，從而推出更有競爭力的技術(shù)和產(chǎn)品，必然也十分有利于復(fù)合機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

當(dāng)前，新的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)競爭已經(jīng)到來，世界主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家均將智能機(jī)器人作為科技產(chǎn)業(yè)競爭的前沿和焦點(diǎn)，加緊謀劃布局。針對復(fù)合機(jī)器人的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，正是關(guān)鍵的競爭領(lǐng)域之一。相信憑借我們科研工作者和產(chǎn)業(yè)工作者的共同努力，我國在這個領(lǐng)域一定能夠建立自己的技術(shù)體系和競爭優(yōu)勢，讓復(fù)合機(jī)器人成為促進(jìn)我國工業(yè)發(fā)展、提高人民生活水平的得力助手和重要工具。

專題目錄

主持人/本刊記者 任芳 朱淼鑫

• 復(fù)合機(jī)器人研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展挑戰(zhàn)——訪北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，機(jī)械工業(yè)服務(wù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陶永（喜崇彬）

• 復(fù)合機(jī)器人海外研究及應(yīng)用綜述（本刊記者 羅丹）

• 優(yōu)艾智合：突破“最后一米”，助推工業(yè)升級——訪優(yōu)艾智合機(jī)器人科技有限公司市場總監(jiān)關(guān)健（任芳）

• 浙江欣奕華：以需求為舵、技術(shù)創(chuàng)新為帆，深耕復(fù)合機(jī)器人賽道——訪浙江欣奕華智能科技有限公司市場與產(chǎn)品總監(jiān)張春澤（王玉）

• 斯坦德：以“1+N+X”理念提供復(fù)合機(jī)器人高效解決方案（肖原）

• 經(jīng)世機(jī)器人：以技術(shù)為核心驅(qū)動力，加速復(fù)合機(jī)器人落地應(yīng)用——訪山東經(jīng)世智能科技有限公司總經(jīng)理秦立夫（朱淼鑫）

———— 物流技術(shù)與應(yīng)用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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