穆龍濤，權(quán) 超，潘冠廷，周云飛

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.復(fù)合型移動機(jī)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(xué)管理學(xué)院，陜西 西安 710100）

0 引言

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

表1 復(fù)合型移動機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢

圖1 復(fù)合型移動機(jī)器人案例

復(fù)合型移動機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)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(jìn)的技術(shù)，這些機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，如精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)噴藥、精準(zhǔn)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(fèi)和損失。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方法相比，復(fù)合型移動機(jī)器人可以更快速、更準(zhǔn)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(jì)效益。此外，這些機(jī)器人可以自主運(yùn)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(fù)合型移動機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)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(fù)合型移動機(jī)器人系統(tǒng)可以在不同環(huán)境下執(zhí)行各種任務(wù)[5]，其中包括核電站的檢測和維護(hù)、搜救任務(wù)、災(zāi)難響應(yīng)、探測和檢查以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用等。這些機(jī)器人系統(tǒng)都配備了先進(jìn)的傳感器和視覺系統(tǒng)，以幫助機(jī)器人感知周圍環(huán)境并執(zhí)行任務(wù)。系統(tǒng)多由一個輪式底盤和一個可伸縮的機(jī)械臂或腿組成，可以適應(yīng)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(jī)器人感知周圍環(huán)境并進(jìn)行精確的操作[7]。相關(guān)文獻(xiàn)提供了有關(guān)復(fù)合型移動機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計、控制和實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)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(fù)合型移動機(jī)器人的概念和分類、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用以及未來研究方向等方面進(jìn)行綜述。其中，第一部分主要介紹了復(fù)合型移動機(jī)器人特點(diǎn)及分類；第二部分重點(diǎn)介紹了其核心技術(shù)，包括定位與導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、協(xié)同控制、多傳感器融合等；第三部分對復(fù)合型移動機(jī)器人在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。最后，對未來研究方向進(jìn)行了探討及展望。

1 復(fù)合型移動機(jī)器人的特點(diǎn)及分類

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

1.1 復(fù)合型移動機(jī)器人的特點(diǎn)

1）多種移動方式。傳統(tǒng)的移動機(jī)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(jié)合了多種移動方式，包括輪式、履帶式、腿式、飛行器、水下機(jī)器人等。這種多樣性使得CMRs 能夠適應(yīng)不同的地形和環(huán)境，具有更廣泛的應(yīng)用前景。

2）多功能操作。CMRs 可以進(jìn)行多種任務(wù)，如偵察、救援、運(yùn)輸、勘探、維護(hù)等。在軍事領(lǐng)域，CMRs 可以被用于偵察和搜尋任務(wù)，可以在危險的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，如炸彈拆除、邊境巡邏等。在醫(yī)療領(lǐng)域，CMRs 可以被用于手術(shù)和康復(fù)等任務(wù)。在探索領(lǐng)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(jìn)的控制算法和傳感器技術(shù)，開發(fā)了多控制器、分層控制、協(xié)同控制等控制策略，以實(shí)現(xiàn)CMRs 的高效控制。

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

1.2 復(fù)合型移動機(jī)器人的分類

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

1）單元式復(fù)合型移動機(jī)器人。單元式復(fù)合型移動機(jī)器人是由多個相同或相似的機(jī)器人單元組成的系統(tǒng)，每個單元可以獨(dú)立工作，也可以通過無線通信協(xié)同工作，完成特定的任務(wù)。這種機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。例如，由多個小型機(jī)器人組成的探測器可以在火災(zāi)等危險環(huán)境中進(jìn)行探測和救援。

2）模塊式復(fù)合型移動機(jī)器人。模塊式復(fù)合型移動機(jī)器人是由多個不同類型的機(jī)器人模塊組成的系統(tǒng)，每個模塊具有不同的功能和任務(wù)。這種機(jī)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(jìn)行組合和重構(gòu)，以適應(yīng)不同的任務(wù)需求。例如，由多個機(jī)械臂、移動平臺和傳感器組成的機(jī)器人系統(tǒng)可以完成物料搬運(yùn)、工件加工和檢測等工作。

3）混合式復(fù)合型移動機(jī)器人。混合式復(fù)合型移動機(jī)器人是由多個不同類型的機(jī)器人組成的系統(tǒng)，包括單元式機(jī)器人和模塊式機(jī)器人。這種機(jī)器人系統(tǒng)具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要進(jìn)行組合和重構(gòu)，以適應(yīng)不同的任務(wù)需求。例如，由多個移動機(jī)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(wù)。

2 復(fù)合型移動機(jī)器人的核心技術(shù)

復(fù)合型移動機(jī)器人的核心技術(shù)包括定位與導(dǎo)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(dǎo)航

復(fù)合型移動機(jī)器人需要精確的定位和導(dǎo)航技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)動控制和任務(wù)執(zhí)行。目前，常用的定位和導(dǎo)航技術(shù)包括慣性導(dǎo)航、全球定位系統(tǒng)（GPS）、視覺導(dǎo)航、激光雷達(dá)等。其中，慣性導(dǎo)航具有高精度、高可靠性和實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，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(dǎo)航可以通過攝像機(jī)等傳感器獲取環(huán)境信息，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外的定位和導(dǎo)航，但對光照、陰影等影響較大；激光雷達(dá)可以對環(huán)境進(jìn)行高精度的三維測量，可以實(shí)現(xiàn)避障、地圖構(gòu)建等功能，但成本較高。

2.2 路徑規(guī)劃

復(fù)合型移動機(jī)器人需要進(jìn)行路徑規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)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(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，但計算復(fù)雜度較高；RRT 算法可以實(shí)現(xiàn)高效的路徑規(guī)劃和避障，但對機(jī)器人的動態(tài)響應(yīng)和控制精度要求較高。

2.3 協(xié)同控制

復(fù)合型移動機(jī)器人需要進(jìn)行協(xié)同控制，以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人之間的協(xié)同工作和任務(wù)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(shí)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(shí)現(xiàn)多機(jī)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(shù)是復(fù)合型移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和任務(wù)執(zhí)行的關(guān)鍵技術(shù)。它通過使用多種傳感器，如視覺傳感器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器等，對機(jī)器人周圍的環(huán)境進(jìn)行感知和建模，并將不同傳感器獲得的信息進(jìn)行融合，提高機(jī)器人的感知能力和執(zhí)行效率。

3 復(fù)合型移動機(jī)器人在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用和未來研究方向

3.1 不同領(lǐng)域中的應(yīng)用

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

圖2 復(fù)合型機(jī)器人應(yīng)用場景

1）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。復(fù)合型移動機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)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(jī)器人和機(jī)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(jī)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(jī)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(lǐng)域。復(fù)合型移動機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用主要包括手術(shù)輔助、康復(fù)訓(xùn)練和生命救援等。例如，由多個移動機(jī)器人和傳感器組成的系統(tǒng)可以在手術(shù)中進(jìn)行定位和導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的手術(shù)操作和快速恢復(fù)。移動機(jī)器人還可以用于康復(fù)訓(xùn)練，例如在物理治療中，機(jī)器人可以幫助患者進(jìn)行肌肉鍛煉和運(yùn)動訓(xùn)練，促進(jìn)康復(fù)和恢復(fù)。在生命救援方面，移動機(jī)器人可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，實(shí)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(jī)器人系統(tǒng)可以減少醫(yī)療人員的負(fù)擔(dān)和勞動強(qiáng)度，同時提高醫(yī)療服務(wù)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(lǐng)域。復(fù)合型移動機(jī)器人在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)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(jī)器人和傳感器組成的系統(tǒng)可以在城市中進(jìn)行空氣和水質(zhì)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)及時的環(huán)境污染監(jiān)測和應(yīng)急處理。移動機(jī)器人還可以用于垃圾清理，例如在海灘、公園等場所，機(jī)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(jī)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(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3.2 未來研究方向

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

1）多模態(tài)感知技術(shù)。多模態(tài)感知技術(shù)可以提高機(jī)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(xué)習(xí)技術(shù)。自主學(xué)習(xí)技術(shù)可以提高機(jī)器人的智能化水平和適應(yīng)性，包括深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法的應(yīng)用和優(yōu)化。

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

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

復(fù)合型移動機(jī)器人在不同領(lǐng)域的應(yīng)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(yùn)動控制、傳感器融合、任務(wù)分配、機(jī)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(jī)器人的性能和工作效率，促進(jìn)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用。待解決的問題包括以下幾個方面：

1）運(yùn)動控制問題。如何通過多個運(yùn)動部件的協(xié)同控制，使復(fù)合型移動機(jī)器人實(shí)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(jìn)行融合，提高復(fù)合型移動機(jī)器人的感知能力和環(huán)境適應(yīng)性。

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

4）機(jī)器人智能化問題。如何通過自主學(xué)習(xí)、計算機(jī)視覺等技術(shù)，提高機(jī)器人的智能化水平，實(shí)現(xiàn)更加智能化的移動和操作。

5）安全性問題。如何保證復(fù)合型移動機(jī)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(jī)器人能源管理，延長機(jī)器人的使用壽命，提高機(jī)器人的工作效率。

4 結(jié)語

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