复合机器人是什么

复合机器人是一种集成移动机器人和协作机器人两项功能为一身的新型机器人。在工业领域，通用工业机器人被称为机械臂或者机械手，主要是替代人胳膊的抓取功能；而移动机器人，即AGV/AMR是替代人腿脚的行走功能。复合型机器人则是手脚并用，将两种功能组合在一起。

复合机器人更符合人们想象中“脑、眼、手、脚”融合的机器人**形态。传统工业机器人机器人一般只需要完成A-B点位的工艺，而复合机器人可以更加灵活地像人一样进行X-Y-Z多空间融合作业。

这也进一步打开了人们的想象空间，例如在工业制造领域中，单一的固定工位的机器人很难实现全方位智能工厂的打造，复合机器人可以灵活“移动”起来，实现端对端设备的连接。

（一）整体概览

根据其系统结构特点，复合机器人由三大部分组成。

移动底盘：即复合机器人的“腿”，用于实现复合机器人在不同方向上的灵活移动。一般使用移动机器人（AGV/AMR）本体。

机械臂：复合机器人的“手”，实现复合机器人对物件的抓取或加工的操作。一般使用协作机器人本体。

终端控制器：相当于复合机器人的大脑部分，可以直接或者通过人工对机器人的动作进行控制。相当于对移动机器人的控制部分与协作机器人的控制部分做了一定程度的集成。

（二）移动底盘

复合机器人的移动底盘由机械系统、动力系统和控制系统组成，机械系统包含车体、车轮、转向装置、安全装置，动力系统包含电池组和驱动系统，控制系统包括信息传输与处理装置、驱动控制装置、转向控制装置、安全控制装置。

1、机械系统

机械系统的车体是其他总成部件的安装基础，通常为钢结构件，要求具有一定的强度和刚度。

转向装置根据移动底盘运行方式的不同，常见的转向机构有较轴转向式、差速转向式和全轮转向式等形式。通过转向机构，可以实现向前、向后或纵向、横向、斜向及回转的全方位运动，车轮的具体形态也取决于转向机构的具体设计。

移动底盘的安全措施至关重要，必须确保复合机器人在运行过程中的自身安全，以及现场人员与各类设备的安全。

一般情况下，复合机器人都采取多级硬件和软件的安全监控措施。如在底盘前端设有非接触式防碰传感器和接触式防碰传感器，底盘顶部安装有醒目的信号灯和声音报警装置，用来提醒周围的操作人员。对需要前后双向运行或有侧向移动需要的复合机器人，则防碰传感器需要在移动底盘的四面安装。一旦发生故障，自动进行声光报警，同时采用无线通讯方式通知监控系统。

图：移动底盘的结构

2.动力系统

移动底盘的驱动装置由驱动轮、减速器、制动器、驱动电机及速度控制器（调速器）等部分组成，是一个伺服驱动的速度控制系统，驱动系统可由计算机或人工控制，可驱动机器人正常运行并具有速度控制、方向和制动控制的能力。

图：AGV驱动结构与原理

移动底盘的电池组一般为蓄电池及其充放电控制装置，电池为24V 或48V的工业电池，目前市面上常用的是锂电池。

充电装置的布置方式有多种，一般有地面电靴式、壁挂式等，并需要结合复合机器人的运行状况，综合考虑其在运行状态下，可能产生的短路等因素，从而考虑配置安全保护装置。

图：48V 50Ah AGV磷酸铁锂动力电池组     

3、控制系统

根据引导技术的不同，控制系统可以被区分为两类，一类是AGV采用的引导技术，另一类是AMR采用的自主导航技术。

AGV采用的控制系统通常包括车上控制器和地面（车外）控制器两部分，目前均采用微型计算机，由通信系统联系。通常，由地面（车外）控制器发出控制指令，经通信系统输入车上控制器控制AGV运行。

车上控制器完成 AGV的手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制与充电接触器的监控及行车安全监控等。地面控制器完成AGV调度、控制指令发出和AGV运行状态信息接收。控制系统是AGV的核心，AGV的运行、监测及各种智能化控制的实现，均需通过控制系统实现。

图：沿引导路线行进的AGV

而AMR使用来自摄像头、内置传感器、激光扫描仪的数据以及复杂的软件，使其能够探测周围环境，并选择最有效的路径到达目标。它完全自主工作，如果叉车、货盘、人或其他障碍物出现在它前面，AMR将使用**替代路线安全地绕过它们。这将确保物料流动保持在计划之内，从而优化了生产力。

图：自主寻路的AMR

事实上，从自动导引到自主移动，AMR自主导航的实现要得益于SLAM技术的发展，SLAM (simultaneous localization and mapping)，也称为CML (Concurrent Mapping and Localization)，即时定位与地图构建，或并发建图与定位。SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1988年提出。由于其重要的理论与应用价值，被很多学者认为是实现真正全自主移动机器人的关键。

SLAM问题可以描述为: 机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动，在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航。

而基于SLAM技术实现移动机器人自主导航因其传感器的不同目前也分为两个类别：激光SLAM和视觉SLAM。

但因为每种导航技术都有一定的局限性，因此，目前市场上相关AMR厂商也多是以激光或视觉SLAM为主再融合一些其它的导航方式来实现机器人在复杂环境中的定位导航。不过相较于视觉来说[wy1] ，激光SLAM目前仍是主流，因为应用时间早，技术相对来说更加成熟。

SLAM技术已经在室内的移动机器人，AR场景以及无人机等多个领域都取得了不错的落地效果与成绩。而在自动驾驶领域，SLAM技术却一直未得到太多的重视，这是由于定位在目前的自动驾驶行业中大多通过RTK（卫星导航实时动态定位）来解决，在SLAM方面并不会投入过多的资源去进行深入的研究。

部分型号的复合机器人主要移动技术参数展示如下：

图：激光SLAM示意图

图：视觉SLAM示意图

（三）机械臂

由于应用场景与底盘负载能力的限制，复合机器人的机械臂部分一般使用较轻量化、可实现柔性操作的协作机器人的设计。协作机器人主要由伺服关节、连接外壳和安全皮肤、控制柜与示教器、末端执行器四个部分组成，采用一体化关节（传动+传感+集成驱动器）+控制器的设计架构。

有关协作机器人的介绍可以参考公众号往期文章

（四）终端控制器

由于复合机器人的移动底盘和机械臂分别对应两种机器人，所以需要将两种机器人的控制器做集成，目前终端控制器有两种集成方案，一种是伪手脚并用，也就是保留组成部分两个机器人的控制器，采用更高级的控制器统一协调二者的作业；另一种是将组成部分两个机器人的控制器集中到一个控制器中。

1、早期伪手脚并用的集成方式

这类集成方式最早为AGV/AMR企业或机械臂企业在为客户制定智能升级方案过程中，为满足一些环节移动作业需要研制的复合机器人中采用，其优点在于实现了手（机械臂）和脚（AGV/AMR）的功能；缺点是这类AGV企业或机械臂企业，往往只擅长于自己的领域，即复合机器人某个部件（底盘或机械臂）的控制，整体控制无法做的很好，只是伪手脚并用。

图：早期伪手脚并用的集成方式

两个控制器分别控制对应的部件，底盘的控制器控制底盘运动；机械臂的控制器控制机械臂运动；实际产线应用中，手脚协作需要更高级的系统来统一分配任务，多一套控制程序.

2、移动协作机器人的集成方式

随着科技的发展，部分企业开始复合机器人一体化的探索，逐渐升级了复合机器人的概念至“MCR（Mobile Collaborative Robot）”移动协作机器人。

图：移动协作机器人的集成方式

这类机器人只用一个控制器分配任务，在工作过程中，反馈更快、方式更简单，是复合机器人未来发展的趋势之一。

3、跨系统集成——复合机器人的核心技术

由于复合机器人需要集合移动机器人与协作机器人，所以当前复合机器人生产企业或从移动底盘（移动机器人）起家或从机械臂（协作机器人）起家将产品逐步过渡到复合机器人，部分复合机器人企业发展路径列示如下：

由以上表格看出，复合机器人大多是移动机器人厂商推出的进阶产品，而几乎没有从机械臂生产转向复合机器人产品的厂商。

多个独立系统的功能整合和组合动作的效率优化是复合机器人的核心技术。通俗来讲，就是“手、眼、脚协调”。由于复合移动机器人拥有多个模块，不仅模块的设备类型、传感器的类型不一致，设备之间的讯协议内容类型也不一样，异常处理逻辑复杂，这使复合移动机器人控制的复杂度极高。

从深层次技术上来说，集成的高难度一方面由于产品底层不够开放，另一方面企业的开发能力难免受到技术和人才局限，使得许多集成商的复合机器人解决方案并没有想象中那么美好。例如由于导航系统、定位系统等各个子单位的控制器不同，其内部通信协议等也就完全不同，最终导致内部“打架”。购买者难以使用并且频频出错是常态，更别谈能在此基础上二次开发，实现与整厂系统的更大范围融合。

多场景、多工艺类型，这些对于许多采购复合机器人部件进行组装的集成商而言，无疑意味着更大的开发难度。但在复合机器人深入行业的过程中，这种场景愈发常见。对于企业而言，之所以进一步选择复合机器人，是因为相对于需要安装的传统机器人，不止一家希望能够形成可移动可替换的高度灵活柔性生产线，产线上不仅需要机器人按照工序顺序进行作业，也必然要求多台协同、灵活作业，一机多用从而有效提高自动化程度，打造柔性生产流程。

众多案例可以表明，复合机器人想要打开更大范围应用，必须要真正做到“脑、眼、手、脚”协同的融合，才能对于复杂乃至非标准化需求需要能够更快更好的响应。但从最底层自主开发“脑、眼、手、脚”，对于市面上大多数企业而言，毫无疑问难度巨大，这对于移动底盘、协作机器人、导航技术等多项基础共性技术以及核心的底层控制能力提出了非常高的要求。