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近日，國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）在發(fā)布的論文《一場移動(dòng)革命》中提到，移動(dòng)機(jī)器人正在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，2020年至2023年，自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）在物流領(lǐng)域的銷量預(yù)計(jì)將以每年31%的速度增長。同時(shí)，根據(jù)IFR數(shù)據(jù)，自主移動(dòng)機(jī)器人在公共場所的使用量將顯著增加，全球單位銷量預(yù)計(jì)將以每年40%的速度增長。

AMR是指可以智能理解環(huán)境，并在其中自主移動(dòng)的機(jī)器人。AMR通過傳感器對(duì)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行感知，利用智能算法對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，從而能夠形成對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的理解，在此基礎(chǔ)上自主選擇最有效的方式和路徑執(zhí)行任務(wù)。AMR有激光AMR和視覺AMR兩大類。其中，激光同步定位與建圖（SLAM）技術(shù)目前相對(duì)來說更加成熟，是市場應(yīng)用主流，視覺AMR起步較晚，被認(rèn)為是未來的方向。

目前，AMR主要應(yīng)用在物流倉儲(chǔ)、工業(yè)制造等領(lǐng)域，隨著近些年電子商務(wù)交易規(guī)模不斷擴(kuò)大，AMR在2019年的市場規(guī)模已超過36萬億元。與此同時(shí)，在商業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，AMR也在不斷突破邊界，如餐廳、醫(yī)院、酒店、銀行、商場等室內(nèi)場景的配送服務(wù)日漸成熟，半室內(nèi)場景的配送開始在局部地區(qū)落地。在家用領(lǐng)域，掃地機(jī)器人也有望迎來需求拐點(diǎn)。

國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)主席Milton Guerry說：“傳統(tǒng)上，移動(dòng)機(jī)器人是在工業(yè)環(huán)境中操作的，在整個(gè)工廠中或喂料機(jī)上運(yùn)輸零件。但現(xiàn)如今，自主移動(dòng)機(jī)器人也可被應(yīng)用到普通公眾應(yīng)用領(lǐng)域了。他們?yōu)橘徫镎咛峁┬畔ⅲ诰频晏峁┛头糠?wù)，或巡邏城市地區(qū)以協(xié)助警察工作?！?/span>

資料來源：國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)

盡管研究人員從20世紀(jì)40年代就開始研究自主移動(dòng)技術(shù)，但直到過去十年，自主移動(dòng)機(jī)器人才取得商業(yè)上的可行性。這主要得益于更強(qiáng)大、更便宜的計(jì)算能力出現(xiàn)，使傳感器、視覺和分析技術(shù)得以快速發(fā)展，還使得機(jī)器人能被實(shí)時(shí)聯(lián)接到周遭環(huán)境中。如今，AMR已顯示出兩位數(shù)增長，在工業(yè)和服務(wù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航和執(zhí)行功能，為移動(dòng)機(jī)器人在世界各地的應(yīng)用鋪平了道路。

例如，在倉儲(chǔ)行業(yè)中，智能搬運(yùn)場景具有人機(jī)交互、環(huán)境高頻變化等特點(diǎn)，需要有強(qiáng)大混合導(dǎo)航技術(shù)的移動(dòng)機(jī)器人。為滿足業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)一整套高效、可靈活配置的硬件系統(tǒng)，智能的視覺激光融合感知與定位、規(guī)劃與控制系統(tǒng)，提升AMR在復(fù)雜多變場景中運(yùn)行的穩(wěn)定性顯得尤為重要。

安裝在負(fù)責(zé)碼垛產(chǎn)品的MAV（多傳感自動(dòng)駕駛車輛）上的LARA（輕型敏捷式機(jī)器人助手）。（圖片來源：NEURA機(jī)器人公司）

機(jī)器人為了完成自動(dòng)化搬運(yùn)，需要設(shè)計(jì)一整套的關(guān)于數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，以及控制規(guī)劃模塊。針對(duì)包括揀選、搬運(yùn)、分揀等不同產(chǎn)品線、不同任務(wù)形式，以及不同的傳感器配置，需要合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以及模塊化的軟件架構(gòu)，從而達(dá)到提高開發(fā)效率，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，并最終靈活應(yīng)用到不同產(chǎn)品的機(jī)器人上。

機(jī)器人軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)則通過從底層操作系統(tǒng)到ROS2的算法平臺(tái)，再到相應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)的定位模塊、導(dǎo)航模塊、避障模塊、傳感器緊融合模塊、控制模塊，完成整個(gè)軟件系統(tǒng)高效且靈活可配置的設(shè)計(jì)，最終在不同產(chǎn)品線機(jī)器人上得到應(yīng)用。而在軟件架構(gòu)中，SLAM系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)又是非常重要的一環(huán)。

例如，極智嘉的SLAM系統(tǒng)采用緊耦合、多源異構(gòu)的方式，去使用各種傳感器和定位元素的信息。其中，前視的相機(jī)用來識(shí)別特征點(diǎn)、語義線、二維碼和各種物體（Object），算法在GPU上進(jìn)行加速后，會(huì)將結(jié)果傳到從CPU處理。下視的相機(jī)可以識(shí)別地面的二維碼，來計(jì)算機(jī)器人的絕對(duì)位置，這部分的算法會(huì)在FPGA上進(jìn)行優(yōu)化和加速。而底層里程計(jì)和IMU的信息，從MCU上進(jìn)行讀取，并進(jìn)行融合和算法優(yōu)化。最終各個(gè)傳感器的信息經(jīng)過各自算法在不同的平臺(tái)上處理后，會(huì)統(tǒng)一將結(jié)果發(fā)送到主CPU處理器上，進(jìn)行結(jié)果的融合和最終決策。

激光與視覺融合的SLAM導(dǎo)航技術(shù)使用領(lǐng)先的緊耦合多傳感器融合框架，從處理器芯片到激光雷達(dá)、相機(jī)、IMU和編碼器等都實(shí)現(xiàn)了高精度的時(shí)間同步，確保所獲取傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間精確性。

除了在倉庫里，在醫(yī)院和工廠環(huán)境中，有些任務(wù)可能會(huì)使工人承受反復(fù)的壓力傷害或疲勞，這些任務(wù)正逐步由移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行。AMR可以在工廠中執(zhí)行負(fù)重任務(wù)，在醫(yī)院中運(yùn)送餐食、藥品和衣物，還可以從倉庫貨架中選擇產(chǎn)品并運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?。在某些情況下，AMR 可以填補(bǔ)由于人員缺乏而導(dǎo)致的崗位空缺，而在另外一些情況下，它們則會(huì)與人類協(xié)同工作。

SLAM系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（圖片來源：極智嘉）

事實(shí)上，如今“機(jī)器人代替人工”早已不是什么新鮮事，機(jī)器人制造商正在將更好的地圖系統(tǒng)集成到AMR 中，以在工作場所中創(chuàng)建最優(yōu)路徑。此外，為AMR配置更好的傳感器，來保護(hù)在同一場所中與AMR協(xié)同工作的人，并找到為AMR 充電的最佳方法。

例如，在醫(yī)院環(huán)境中，由美國供應(yīng)鏈機(jī)器人公司Aethon研發(fā)的TUG機(jī)器人可以運(yùn)送餐食、藥品和亞麻布等。Aethon 高級(jí)副總裁Peter Seiff說：“從很多方面來講，運(yùn)營醫(yī)院就是運(yùn)營一座微型城市，患者有很多需求。”Aethon使用腳本語言編程，將TUG設(shè)置為與人和諧共處。匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心就使用了27 臺(tái)Aethon TUG機(jī)器人。

Seiff希望建筑師和業(yè)主在設(shè)計(jì)醫(yī)院和旅館時(shí)，能對(duì)AMR進(jìn)行規(guī)劃，以優(yōu)化AMR和人類的活動(dòng)空間。如果使用機(jī)器人帶走舊亞麻布并提供新的亞麻布，醫(yī)院就不再需要洗衣槽和亞麻儲(chǔ)藏室，醫(yī)院的空間利用率也將提高。

TUG 機(jī)器人很少需要人工備份，但如果需要也沒關(guān)系，Aethon擁有一個(gè)云命令中心，可以遠(yuǎn)程指導(dǎo)機(jī)器人，并為公司的800個(gè)TUG更新軟件。Seiff說，指揮中心可以遠(yuǎn)程解決Aethon機(jī)器人97％的問題，而無需現(xiàn)場支持。

正在ABB公司位于瑞士倫茲堡的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠運(yùn)行的BlueBotics mini?移動(dòng)機(jī)器人。（圖片來源：ABB）

“移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展領(lǐng)域，我們預(yù)測未來十年它將取得令人興奮的進(jìn)展?！盡ilton Guerry說，“這些進(jìn)展將同時(shí)表現(xiàn)在硬件和軟件上。移動(dòng)機(jī)器人將變得更輕、更靈活。因?yàn)閭鞲衅骱蛙浖惴ǖ倪M(jìn)步，將使導(dǎo)航和機(jī)器視覺效果越來越精確，自主移動(dòng)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人將更容易在室內(nèi)和室外執(zhí)行導(dǎo)航操作?！?/span>

在過去的幾十年里，自動(dòng)化技術(shù)大大提升了生產(chǎn)線的效率，同時(shí)也解決了人力不足的問題。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器設(shè)備和智能新技術(shù)的融合帶來了全新的高效模式。在移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)，越來越多的廠商正在利用人工智能技術(shù)，提升機(jī)器人的自主性，以保證物料搬運(yùn)過程的安全，最終創(chuàng)造出更高生產(chǎn)效率。

在未來工廠中，人和機(jī)器的協(xié)作是未來的大趨勢，這就意味著工廠的環(huán)境將變得越來越復(fù)雜，機(jī)器人對(duì)于環(huán)境的理解十分重要。利用AI技術(shù)，自主移動(dòng)機(jī)器人可以進(jìn)行高效的環(huán)境交互，對(duì)不同類型的障礙物作出反應(yīng)，無需停止和要操作人員為其重新規(guī)劃路線，而是自動(dòng)重構(gòu)最優(yōu)的路徑來獲得高效的導(dǎo)航。

移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的下一步將是結(jié)合人工智能技術(shù)，擴(kuò)大機(jī)器人可執(zhí)行的任務(wù)范圍，提升其對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性，最終使機(jī)器人獲得更高的效能。自主移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用場景已經(jīng)不再局限于工廠環(huán)境，相信未來，隨時(shí)隨地遇見AMR會(huì)變成可能！

來源 |《智能制造縱橫》10月刊