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機器人:從自動化到自主化

來源: 凌華科技 2022/01/25 11:50:23 已瀏覽:
導讀:通過集成軟硬件簡化機器人應用的開發(fā)和部署

世界的變化正在快速改變現(xiàn)代倉庫的變化。電子商務、零售商、醫(yī)和其他第三方物流企業(yè),將移動機器人(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)境中進行導航,因此無需在現(xiàn)有路徑上或者由操作員控制其運動。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)的實際應用案例。

復雜的倉庫需求驅(qū)動著 AGV向AMR轉(zhuǎn)變的大趨勢
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預測,到2026年,AMR全球市場規(guī)模將增至10.11億美元,年復合增長率(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)。

AGV和AMR的主要區(qū)別
直到現(xiàn)在,AGV也代表了的技術(shù)——能夠?qū)⒃牧?、半成品和成品運輸?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行檢索。AGV使用軟件以及基于傳感器的導引系統(tǒng)來引導其路徑。它們在運送貨品時安全可靠,因為他們遵循固定的路線進行移動,具有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,這就意味著導航的軌道基礎(chǔ)設(shè)施需要重新進行路線規(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無法進行人機互動,因為車隊管理系統(tǒng)是集中式的,非點對點的通信。

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。這些機器人使用傳感器和攝像頭檢測與實時.通信相結(jié)合的技術(shù),實現(xiàn)了與人類的實時協(xié)作。

新的方向:從ROS 1到ROS 2的遷移,實現(xiàn)了機群機器人的化
機器人操作系統(tǒng)(ROS)是一個用于機器人軟件開發(fā)的開源框架,它既不是機器人也不是操作系統(tǒng)。ROS是由兩位斯坦福大學的博士Eric Berger 和 Keenan Wyrobek與2007年創(chuàng)建的,他們期望即使是掌握很少機器人硬件相關(guān)知識的軟件開發(fā)人員,也能夠為機器人編寫軟件。
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)不同機器人應用程序的硬件。ROS模塊包含了傳感器的融合、導航、可視化和運動規(guī)劃。
ROS 1初只是為了學術(shù)用途而開發(fā)的,其使用前提是擁有的通信能力。但是在現(xiàn)實世界中,通信條件并非想象的那么,尤其是在工業(yè)環(huán)境中。一些變化的因素,如帶寬、網(wǎng)絡的可用性和通信的范圍,以及透過電池供電的移動機器人的收發(fā)器的功耗,都大大增加了系統(tǒng)的復雜度。此外,ROS 1僅僅適用于單個機器人。想要工廠更加智能,就需要有多個機器人,且需要這些機器人之間能夠相互協(xié)作。基于DDS(Data Distribution Service)的通信架構(gòu),ROS 2通過機群自治的方式讓車隊管理系統(tǒng)去中心化,讓AMR實現(xiàn)了對等的實時的通信。

圖 2,一個新的方向:從ROS 1到ROS 2的遷移,實現(xiàn)了機群機器人的化

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)行其他任務的AMR。業(yè)主還希望能夠快速且輕松地進行部署,這就意味著他們需要AMR來快速升級運營,且無需預安裝任何基礎(chǔ)設(shè)施。他們還需要能夠靈活的修改生產(chǎn)線、實時調(diào)整設(shè)置并輕松執(zhí)行任務。由于這些原因,雖然許多開發(fā)人員使用ROS 1進行了AMR的原型設(shè)計,但都有遷移到ROS 2的需求。

構(gòu)建新一代基于ROS 2 的AMR挑戰(zhàn)
AMR的未來是實現(xiàn)機群的自治。機群移動機器人可以在幾乎沒有人類操作的情況下,完成他們的工作。為了實現(xiàn)這一目標,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):復雜性、可擴展性和可升級性。
AMR的設(shè)計比較復雜,想要構(gòu)建一個機器人系統(tǒng),開發(fā)人員需要選擇和購買從計算平臺到傳感器、運動控制器等硬件,還要考慮機械設(shè)計、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)集成可能需要長達一個月的時間。如果還需要實時能力和的QoS等功能,那么開發(fā)人員就必須自行編寫代碼。一旦開始構(gòu)建機器人作為概念驗證時,可擴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帶來準確性、故障以及損壞的風險。運營者需要的是大規(guī)模的AMR部署,而不是高昂的執(zhí)行成本。
并且對ROS 1的支持預計將在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。

利用ROS 2實施AMR部署需要注意的事項
ROS 2將ROS 1從學術(shù)界帶入了工業(yè)領(lǐng)域。ROS 2允許通過多機器人之間的協(xié)作以及可靠的、容錯的實時通信在工業(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,機群AMR可以相互通信。其他采用分布式數(shù)據(jù)服務(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,提供了一個所有獨立應用均可訪問的全局數(shù)據(jù)空間。美國海軍使用ROS 2解決了艦船在復雜的網(wǎng)絡環(huán)境下大規(guī)模進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)布和訂閱的標準解決方案,在和要求苛刻的系統(tǒng)中,實現(xiàn)分布式的實時通信。

在尋找合適的基于ROS 2的AMR解決方案時,需要考慮以下幾個因素。
首先,開發(fā)人員必須確定系統(tǒng)是否針對AMR導航進行了優(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)存的機制(見圖3)。在傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法中,系統(tǒng)中的進程需要透過操作系統(tǒng)網(wǎng)絡層傳遞消息,這樣就會導致延遲的現(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群。


圖3. 使用共享內(nèi)存的機制優(yōu)化進程間的的通信

要考慮解決方案是否易于實施。一些供應商提供了軟件開發(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 實現(xiàn),被 ROS 2 技術(shù)指導委員會 (TSC) 選為 ROS 2 Galactic Geochelone 版本的默認 ROS 中間件 (RMW)。 此默認配置適用于大多數(shù)開發(fā)人員。 或者,他們也可以使用非默認 RMW進行配置。
為了更輕松地實施和更快地部署,請尋找能夠提供集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)、經(jīng)過測試和驗證的軟件包的應用,以及提供參考設(shè)計示例代碼的供應商。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。

凌華科技和富士康組建的FARobot® 實現(xiàn)了機群
凌華科技目前正與全球制造業(yè)的巨頭鴻海科技集團(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)的機群機器人系統(tǒng)(swarm robot system, SRS)和移動機器人(AMR)解決方案(見圖4)。


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

由于AMR之間可以進行實時通信,因此它們可以執(zhí)行任務調(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,車隊將立即啟動備份預案,并自動派出合適的機器人進行協(xié)助。
FARobot的AMR解決方案具有機群協(xié)作、任務故障轉(zhuǎn)移和性能優(yōu)化等特點。通過采用的機群自治技術(shù),F(xiàn)ARobot AMR機器人可以提高工業(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送到正確的地點,以此減少不必要的停留。

未來工廠:DDS + 5G專網(wǎng),保障實時的能力
友嘉集團是全球的機床制造商,勞動力的短缺和需求的變化讓該公司意識到需要立即進行物流升級、提升檢測能力以及增強技術(shù)服務。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的靈敏度和響應速度。
次實施機群自治是在友嘉集團的巖田友嘉精機工廠的工業(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)備和運營監(jiān)控中心與5G專網(wǎng)和DDS進行了實時的整合,并與生產(chǎn)線信息集成,通過連接到AMR,將零部件運送到多個檢測部門以提高生產(chǎn)力(見圖5)。

圖 5:實時集成生產(chǎn)線信息并連接 AMR 進行運輸。

該實施包括三個重要的技術(shù)應用:AMR 解決方案、自動光學檢測 (AOI) 和增強現(xiàn)實 (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%。

AMR的未來
隨著對采用對等通信的機群自治需求的增加,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)。
近的疫情將AMR引入了醫(yī)療領(lǐng)域,以實現(xiàn)病房和重癥監(jiān)護病房的自動消毒。AMR還可以為患者提供支持和移動協(xié)助。零售業(yè)、店面和餐廳的服務機器人,以及用于智能訂單交貨的一公里服務都有AMR的身影。其他應用包括農(nóng)業(yè)和智能收割、建筑、工業(yè)情節(jié)以及災難恢復等等。
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),包含了實時軟硬件平臺提供商、傳感器和系統(tǒng)集成商、應用的終用戶。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、以成本的方式構(gòu)建和部署AMR。


【關(guān)于凌華科技】
凌華科技(股票代號:6166)邊緣計算,是AI人工智能驅(qū)動世界的推動者。我們制造并開發(fā)用于嵌入式、分布式與智能計算的邊緣硬件與軟件解決方案,全球過1600家客戶信任凌華科技,選擇我們作為其關(guān)鍵任務的重要伙伴,從重癥監(jiān)護室的醫(yī)療計算機到全球輛高速自動駕駛賽車,都有我們的足跡。 
凌華科技是英特爾、NVIDIA、AWS和SAS的重要合作伙伴,并加入了英特爾顧問委員會、ROS 2技術(shù)指導委員會以及Autoware自動駕駛開源基金會。我們積極參與了開源技術(shù)、機器人、化、物聯(lián)網(wǎng)、5G等過24個標準規(guī)范的制定,以驅(qū)動智能制造、網(wǎng)絡通信、智能醫(yī)療、能源、軍工、智能交通與信息娛樂等領(lǐng)域的創(chuàng)新。 
凌華科技擁有1800多名員工和200多家合作伙伴。25年以來,我們秉持并推動當今和未來技術(shù)的發(fā)展,創(chuàng)新科技,轉(zhuǎn)動世界。 
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