機(jī)器人：從自動化到自主化

通過集成軟硬件簡化機(jī)器人應(yīng)用的開發(fā)和部署

作者：凌華科技新世代機(jī)器人平臺事業(yè)處產(chǎn)品經(jīng)理 劉宜政

 

世界的變化正在快速改變現(xiàn)代倉庫的變化。電子商務(wù)、零售商、醫(yī)院和其他第三方物流企業(yè)，將自主移動機(jī)器人（AMR）視為控制勞動力成本、提高吞吐量、縮短交貨時間的關(guān)鍵技術(shù)。工廠的老板和經(jīng)理想要快速、易于部署，并且能夠即時更改的AMR。與其前身無人搬運(yùn)車（AGV）有所不同，AMR可以理解命令并動態(tài)檢測和避開障礙物，在不同的工作環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航，因此無需在現(xiàn)有路徑上或者由操作員控制其運(yùn)動。本文描述了使用集成的軟硬件技術(shù)開發(fā)和部署AMR，并包含工廠、智慧城市和醫(yī)院的實(shí)際應(yīng)用案例。

 

AMR市場正在蓬勃發(fā)展。2020年，其市場規(guī)模約為3.56億美元。據(jù)MarketWatch預(yù)測，到2026年，AMR全球市場規(guī)模將增至10.11億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為15.9%。制造和物流企業(yè)需要高吞吐量、快速簡單的機(jī)器人部署以及靈活的生產(chǎn)線。這一發(fā)展趨勢伴隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，驅(qū)動著AGV向AMR的重大轉(zhuǎn)變。為了理解這個轉(zhuǎn)變，讓我們先來解釋一下這兩種技術(shù)。

 

 

直到現(xiàn)在，AGV也代表了最新的先進(jìn)技術(shù)——能夠?qū)⒃牧?、半成品和成品運(yùn)輸?shù)街圃焐a(chǎn)線上或者放到倉庫存儲或者送到物流中心進(jìn)行檢索。AGV使用軟件以及基于傳感器的導(dǎo)引系統(tǒng)來引導(dǎo)其路徑。它們在運(yùn)送貨品時安全可靠，因?yàn)樗麄冏裱潭ǖ穆肪€進(jìn)行移動，具有精確控制的加速和減速以及障礙物檢測緩沖器。

 

然而，AGV缺乏靈活性（見圖1），例如，如果生產(chǎn)線布局發(fā)生變化，這就意味著導(dǎo)航的軌道基礎(chǔ)設(shè)施需要重新進(jìn)行路線規(guī)劃，這樣往往會牽涉到時間和相關(guān)成本的問題。當(dāng)AGV檢測到障礙物時，它就會停止，直到有人移除了障礙物。此外，AGV無法進(jìn)行人機(jī)互動，因?yàn)檐囮?duì)管理系統(tǒng)是集中式的，非點(diǎn)對點(diǎn)的通信。

圖 1. AGV 和 AMR 之間的比較

與AGV相比，AMR更加靈活。如果產(chǎn)線布局發(fā)生變化，同步定位與建圖（SLAM）可以讓機(jī)器人探索不熟悉的位置空間以便自動創(chuàng)建地圖，且無需操作人員額外的努力或者成本。AMR可以使用一系列的傳感器技術(shù)來動態(tài)檢測和躲避障礙物，包括人。這些機(jī)器人使用傳感器和攝像頭檢測與實(shí)時.通信相結(jié)合的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了與人類的實(shí)時協(xié)作。

 

 

機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）是一個用于機(jī)器人軟件開發(fā)的開源框架，它既不是機(jī)器人也不是操作系統(tǒng)。ROS是由兩位斯坦福大學(xué)的博士Eric Berger 和 Keenan Wyrobek與2007年創(chuàng)建的，他們期望即使是掌握很少機(jī)器人硬件相關(guān)知識的軟件開發(fā)人員，也能夠?yàn)闄C(jī)器人編寫軟件。

 

如今，ROS Classic（亦稱ROS 1）已經(jīng)擁有豐富且穩(wěn)定的軟件包、工具和教程，涵蓋用于開發(fā)不同機(jī)器人應(yīng)用程序的硬件。ROS模塊包含了傳感器的融合、導(dǎo)航、可視化和運(yùn)動規(guī)劃。

 

ROS 1最初只是為了學(xué)術(shù)用途而開發(fā)的，其使用前提是擁有完美的通信能力。但是在現(xiàn)實(shí)世界中，通信條件并非想象的那么完美，尤其是在工業(yè)環(huán)境中。一些變化的因素，如帶寬、網(wǎng)絡(luò)的可用性和通信的范圍，以及透過電池供電的移動機(jī)器人的收發(fā)器的功耗，都大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。此外，ROS 1僅僅適用于單個機(jī)器人。想要工廠更加智能，就需要有多個機(jī)器人，且需要這些機(jī)器人之間能夠相互協(xié)作?；贒DS（Data Distribution Service）的通信架構(gòu)，ROS 2通過機(jī)群自治的方式讓車隊(duì)管理系統(tǒng)去中心化，讓AMR實(shí)現(xiàn)了對等的實(shí)時的通信。

圖 2，一個新的方向：從ROS 1到ROS 2的遷移，實(shí)現(xiàn)了機(jī)群機(jī)器人的自主化

從AGV到AMR的轉(zhuǎn)變以及從ROS 1到ROS 2的遷移，可能是由于工廠經(jīng)理的工作優(yōu)先級引起或者驅(qū)動的。在現(xiàn)代的智能工廠、倉庫和物流中心，工廠經(jīng)理往往希望有更高的吞吐量。他們需要高效且能夠執(zhí)行其他任務(wù)的AMR。業(yè)主還希望能夠快速且輕松地進(jìn)行部署，這就意味著他們需要AMR來快速升級運(yùn)營，且無需預(yù)安裝任何基礎(chǔ)設(shè)施。他們還需要能夠靈活的修改生產(chǎn)線、實(shí)時調(diào)整設(shè)置并輕松執(zhí)行任務(wù)。由于這些原因，雖然許多開發(fā)人員使用ROS 1進(jìn)行了AMR的原型設(shè)計(jì)，但都有遷移到ROS 2的需求。

 

 

AMR的未來是實(shí)現(xiàn)機(jī)群的自治。機(jī)群自主移動機(jī)器人可以在幾乎沒有人類操作監(jiān)督的情況下，完成他們的工作。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，行業(yè)必須從ROS 1遷移到ROS 2。

 

但是，遷移到ROS 2具有一定的挑戰(zhàn)性，尤其是在開發(fā)和部署大量AMR時。對于已經(jīng)使用ROS 1的開發(fā)人員來說，主要面臨三大挑戰(zhàn)：復(fù)雜性、可擴(kuò)展性和可升級性。

 

AMR的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，想要構(gòu)建一個機(jī)器人系統(tǒng)，開發(fā)人員需要選擇和購買從計(jì)算平臺到傳感器、運(yùn)動控制器等硬件，還要考慮機(jī)械設(shè)計(jì)、安裝軟件（操作系統(tǒng)、驅(qū)動和軟件包）。如果開發(fā)人員對系統(tǒng)不熟悉，完成整個系統(tǒng)集成可能需要長達(dá)一個月的時間。如果還需要實(shí)時能力和專用的QoS等先進(jìn)功能，那么開發(fā)人員就必須自行編寫代碼。一旦開始構(gòu)建機(jī)器人作為概念驗(yàn)證時，可擴(kuò)展性和部署就成為更大的問題。

 

ROS 1的構(gòu)建本意并不是用于多個AMR之間的通信，用ROS 1來開發(fā)AMR管理系統(tǒng)來說，會給AMR帶來準(zhǔn)確性、故障以及損壞的風(fēng)險。運(yùn)營者需要的是大規(guī)模的AMR部署，而不是高昂的執(zhí)行成本。

 

并且對ROS 1的支持預(yù)計(jì)將在2025年中止（EOL），這就意味著更多的公司需要確定如何從ROS 1遷移到ROS 2。為此，開發(fā)人員需要熟悉遷移的過程。

 

 

ROS 2將ROS 1從學(xué)術(shù)界帶入了工業(yè)領(lǐng)域。ROS 2允許通過多機(jī)器人之間的協(xié)作以及可靠的、容錯的實(shí)時通信在工業(yè)中使用。ROS 2采用DDS做為通信主干，提供了一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換環(huán)境，就像一條數(shù)據(jù)之河，因此，機(jī)群AMR可以相互通信。其他采用分布式數(shù)據(jù)服務(wù)（DDS）技術(shù)的設(shè)備，也可以使用數(shù)據(jù)之河來共享數(shù)據(jù)。

 

DDS是ROS 2的一個關(guān)鍵組件，其技術(shù)核心是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱（Data-Centric Publish-Subscribe, DCPS）模式，提供了一個所有獨(dú)立應(yīng)用均可訪問的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間。美國海軍使用ROS 2解決了艦船在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下大規(guī)模進(jìn)行軟件升級的兼容性問題。自2004年對象管理組（Object Management Group, OMG）發(fā)布以來，DDS被廣泛用作數(shù)據(jù)發(fā)布和訂閱的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，在自主和要求苛刻的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)分布式的實(shí)時通信。

 

 

●首先，開發(fā)人員必須確定系統(tǒng)是否針對AMR導(dǎo)航進(jìn)行了優(yōu)化（包括硬件和軟件集成），以避免耗時的依賴性、版本問題和編譯錯誤。

 

●為了利用傳感器的融合實(shí)現(xiàn)高精度，以及多個集成傳感器之間的時間同步，例如GMSL圖像（千兆多媒體串行鏈路），慣性測量單元（IMU）至關(guān)重要。

 

●為了優(yōu)化數(shù)據(jù)的內(nèi)部處理，需要考慮系統(tǒng)是否具有共享內(nèi)存的機(jī)制（見圖3）。在傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法中，系統(tǒng)中的進(jìn)程需要透過操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層傳遞消息，這樣就會導(dǎo)致延遲的現(xiàn)象。訪問共享內(nèi)存并直接執(zhí)行傳輸是一種經(jīng)過優(yōu)化的解決方法，可以顯著降低延遲。

 

●找到一種可以提供分布式通信的解決方案，在確保容錯和冗余的同時支持機(jī)群自主。

圖3. 使用共享內(nèi)存的機(jī)制優(yōu)化進(jìn)程間的的通信

最后要考慮解決方案是否易于實(shí)施。一些供應(yīng)商提供了軟件開發(fā)工具包（SDK），通過優(yōu)化DDS的性能，支持機(jī)群架構(gòu)并確保通信的穩(wěn)定可靠。Eclipse Cyclone DDS 是一種快速可靠的 DDS 實(shí)現(xiàn)，被 ROS 2 技術(shù)指導(dǎo)委員會 (TSC) 選為 ROS 2 Galactic Geochelone 版本的默認(rèn) ROS 中間件 (RMW)。 此默認(rèn)配置適用于大多數(shù)開發(fā)人員。 或者，他們也可以使用非默認(rèn) RMW進(jìn)行配置。

 

為了更輕松地實(shí)施和更快地部署，請尋找能夠提供集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)、經(jīng)過測試和驗(yàn)證的軟件包的應(yīng)用，以及提供參考設(shè)計(jì)示例代碼的供應(yīng)商。為了幫助開發(fā)人員輕松地從 ROS 1 遷移到 ROS 2，一些供應(yīng)商還提供了遷移指南，其中包括不同的方法并描述了與遷移過程相關(guān)的好處和問題。

 

 

凌華科技目前正與全球制造業(yè)的巨頭鴻?？萍技瘓F(tuán)（富士康）合作。富士康在其生產(chǎn)設(shè)施中使用了AGV，但他們希望提高生產(chǎn)線的靈活性。富士康與凌華科技共同成立了一家名為FARobot®法博智能移動的合資企業(yè)，利用ROS 2開發(fā)先進(jìn)的機(jī)群機(jī)器人系統(tǒng)（swarm robot system, SRS）和自主移動機(jī)器人（AMR）解決方案（見圖4）。

圖 4. FARobot AMR 機(jī)器人可以提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和生產(chǎn)力

由于AMR之間可以進(jìn)行實(shí)時通信，因此它們可以執(zhí)行任務(wù)調(diào)度和分配，并使用對等的通信方式來確定每個AMR的位置路徑。如果其中一臺AMR出現(xiàn)故障，車隊(duì)將立即啟動備份預(yù)案，并自動派出最合適的機(jī)器人進(jìn)行協(xié)助。

 

FARobot獨(dú)特的AMR解決方案具有機(jī)群協(xié)作、任務(wù)故障轉(zhuǎn)移和性能優(yōu)化等特點(diǎn)。通過采用最新的機(jī)群自治技術(shù)，F(xiàn)ARobot AMR機(jī)器人可以提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和生產(chǎn)力。例如，在正確的時間將正確的原料或組件運(yùn)送到正確的地點(diǎn)，以此減少不必要的停留。

 

 

友嘉集團(tuán)是全球最大的機(jī)床制造商之一，勞動力的短缺和需求的變化讓該公司意識到需要立即進(jìn)行物流升級、提升檢測能力以及增強(qiáng)技術(shù)服務(wù)。雖然該公司使用了AGV，但是他們希望增加系統(tǒng)的靈活性以提高效率并降低成本。友嘉集團(tuán)聯(lián)合凌華科技、臺灣資策會（III）共同構(gòu)建智能工廠。

 

在部署智能工廠解決方案時，您必須考慮制造的靈活性、工廠的擴(kuò)張和產(chǎn)線的快速切換。在這些環(huán)境中，溝通是關(guān)鍵。DDS可以在有線和無線網(wǎng)絡(luò)以及具有多種無線通信技術(shù)的生產(chǎn)制造環(huán)境中充當(dāng)中間件。具有高可靠性的DDS，結(jié)合5G專網(wǎng)的低延時和高速傳輸，可以提升AGV的靈敏度和響應(yīng)速度。

 

第一次實(shí)施機(jī)群自治是在友嘉集團(tuán)的巖田友嘉精機(jī)工廠的工業(yè)級噴槍生產(chǎn)線上，該工廠位于臺灣新竹縣湖口鎮(zhèn)。生產(chǎn)設(shè)備和運(yùn)營監(jiān)控中心與5G專網(wǎng)和DDS進(jìn)行了實(shí)時的整合，并與生產(chǎn)線信息集成，通過連接到AMR，將零部件運(yùn)送到多個檢測部門以提高生產(chǎn)力（見圖5）。

 

圖 5：實(shí)時集成生產(chǎn)線信息并連接 AMR 進(jìn)行運(yùn)輸。

該實(shí)施包括三個重要的技術(shù)應(yīng)用：AMR 解決方案、自動光學(xué)檢測 (AOI) 和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 智能眼鏡。 該組合使工廠的良品率提高了 15%，生產(chǎn)成本降低了 20%。

 

 

隨著對采用對等通信的機(jī)群自治需求的增加，行業(yè)趨勢將繼續(xù)從 AGV過渡到 AMR，從 ROS 1遷移到 ROS 2。ROS 2 是輔助AMR 開發(fā)和部署的突破，涵蓋了包括工業(yè)在內(nèi)的眾多行業(yè)。

 

最近的疫情將AMR引入了醫(yī)療領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)病房和重癥監(jiān)護(hù)病房的自動消毒。AMR還可以為患者提供支持和移動協(xié)助。零售業(yè)、店面和餐廳的服務(wù)機(jī)器人，以及用于智能訂單交貨的最后一公里服務(wù)都有AMR的身影。其他應(yīng)用包括自主農(nóng)業(yè)和智能收割、建筑、工業(yè)情節(jié)以及災(zāi)難恢復(fù)等等。

 

AMR的開發(fā)和部署需要付出更多的努力，這個不是一個公司就能夠完成的。它需要一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，包含了實(shí)時軟硬件平臺提供商、傳感器和系統(tǒng)集成商、應(yīng)用的最終用戶。凌華科技通過將硬件和軟件與通信技術(shù)相結(jié)合，來支持開發(fā)人員在5G專網(wǎng)的環(huán)境下，快速、靈活、以成本最優(yōu)的方式構(gòu)建和部署AMR。