【導讀】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)院和其他第三方物流企業(yè)，將自主移動機器人（AMR）視為控制勞動力成本、提高吞吐量、縮短交貨時間的關鍵技術。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開發(fā)和部署AMR，并包含工廠、智慧城市和醫(yī)院的實際應用案例。
復雜的倉庫需求驅動著 AGV向AMR轉變的大趨勢
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)，驅動著AGV向AMR的重大轉變。為了理解這個轉變，讓我們先來解釋一下這兩種技術。
AGV和AMR的主要區(qū)別
直到現(xiàn)在，AGV也代表了最新的先進技術——能夠將原材料、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，這就意味著導航的軌道基礎設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.通信相結合的技術，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)了機群機器人的自主化
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最初只是為了學術用途而開發(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?；贒DS（Data Distribution Service）的通信架構，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)了機群機器人的自主化
從AGV到AMR的轉變以及從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設施。他們還需要能夠靈活的修改生產(chǎn)線、實時調整設置并輕松執(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的原型設計，但都有遷移到ROS 2的需求。
構建新一代基于ROS 2 的AMR挑戰(zhàn)
AMR的未來是實現(xiàn)機群的自治。機群自主移動機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的設計比較復雜，想要構建一個機器人系統(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，還要考慮機械設計、安裝軟件（操作系統(tǒng)、驅動和軟件包）。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專用的QoS等先進功能，那么開發(fā)人員就必須自行編寫代碼。一旦開始構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從學術界帶入了工業(yè)領域。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）技術的設備，也可以使用數(shù)據(jù)之河來共享數(shù)據(jù)。
DDS是ROS 2的一個關鍵組件，其技術核心是以數(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，在自主和要求苛刻的系統(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）至關重要。
● 為了優(yōu)化數(shù)據(jù)的內部處理，需要考慮系統(tǒng)是否具有共享內存的機制（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自主。
圖3. 使用共享內存的機制優(yōu)化進程間的的通信
最后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的好處和問題。
凌華科技和富士康組建的FARobot? 實現(xiàn)了機群自主
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)先進的機群機器人系統(tǒng)（swarm robot system, SRS）和自主移動機器人（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，并自動派出最合適的機器人進行協(xié)助。
FARobot獨特的AMR解決方案具有機群協(xié)作、任務故障轉移和性能優(yōu)化等特點。通過采用最新的機群自治技術，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
友嘉集團是全球最大的機床制造商之一，勞動力的短缺和需求的變化讓該公司意識到需要立即進行物流升級、提升檢測能力以及增強技術服務。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的生產(chǎn)制造環(huán)境中充當中間件。具有高可靠性的DDS，結合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。
第一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)在內的眾多行業(yè)。
最近的疫情將AMR引入了醫(yī)療領域，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最后一公里服務都有AMR的身影。其他應用包括自主農業(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、應用的最終用戶。凌華科技通過將硬件和軟件與通信技術相結合，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)的方式構建和部署AMR。
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