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通過(guò)集成軟硬件簡(jiǎn)化機器人應用的開(kāi)發(fā)和部署 作者：凌華科技新世代機器人平臺事業(yè)處產(chǎn)品經(jīng)理 劉宜政 世界的變化正在快速改變現代倉庫的變化。電子商務(wù)、零售商、醫院和其他第三方物流企業(yè)，將自主移動(dòng)機器人（AMR）視為控制勞動(dòng)力成本、提高吞吐量、縮短交貨時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)。工廠(chǎng)的老板和經(jīng)理想要快速、易于部署，并且能夠即時(shí)更改的AMR。與其前身無(wú)人搬運車(chē)（AGV）有所不同，AMR可以理解命令并動(dòng)態(tài)檢測和避開(kāi)障礙物，在不同的工作環(huán)境中進(jìn)行導航，因此無(wú)需在現有路徑上或者由操作員控制其運動(dòng)。本文描述了使用集成的軟硬件技術(shù)開(kāi)發(fā)和部署AMR，并包含工廠(chǎng)、智慧城市和醫院的實(shí)際應用案例。 復雜的倉庫需求驅動(dòng)著(zhù) AGV向AMR轉變的大趨勢 AMR市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。2020年，其市場(chǎng)規模約為3.56億美元。據MarketWatch預測，到2026年，AMR全球市場(chǎng)規模將增至10.11億美元，年復合增長(cháng)率（CAGR）為15.9%。制造和物流企業(yè)需要高吞吐量、快速簡(jiǎn)單的機器人部署以及靈活的生產(chǎn)線(xiàn)。這一發(fā)展趨勢伴隨著(zhù)新應用的出現，驅動(dòng)著(zhù)AGV向AMR的重大轉變。為了理解這個(gè)轉變，讓我們先來(lái)解釋一下這兩種技術(shù)。 AGV和AMR的主要區別 直到現在，AGV也代表了最新的先進(jìn)技術(shù)——能夠將原材料、半成品和成品運輸到制造生產(chǎn)線(xiàn)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引系統來(lái)引導其路徑。它們在運送貨品時(shí)安全可靠，因為他們遵循固定的路線(xiàn)進(jìn)行移動(dòng)，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(jiàn)圖1），例如，如果生產(chǎn)線(xiàn)布局發(fā)生變化，這就意味著(zhù)導航的軌道基礎設施需要重新進(jìn)行路線(xiàn)規劃，這樣往往會(huì )牽涉到時(shí)間和相關(guān)成本的問(wèn)題。當AGV檢測到障礙物時(shí)，它就會(huì )停止，直到有人移除了障礙物。此外，AGV無(wú)法進(jìn)行人機互動(dòng)，因為車(chē)隊管理系統是集中式的，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(xiàn)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(dòng)創(chuàng )建地圖，且無(wú)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(lái)動(dòng)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(shí)時(shí).通信相結合的技術(shù)，實(shí)現了與人類(lèi)的實(shí)時(shí)協(xié)作。 新的方向：從ROS 1到ROS 2的遷移，實(shí)現了機群機器人的自主化 機器人操作系統（ROS）是一個(gè)用于機器人軟件開(kāi)發(fā)的開(kāi)源框架，它既不是機器人也不是操作系統。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器人硬件相關(guān)知識的軟件開(kāi)發(fā)人員，也能夠為機器人編寫(xiě)軟件。 如今，ROS Classic（亦稱(chēng)ROS 1）已經(jīng)擁有豐富且穩定的軟件包、工具和教程，涵蓋用于開(kāi)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(dòng)規劃。 ROS 1最初只是為了學(xué)術(shù)用途而開(kāi)發(fā)的，其使用前提是擁有完美的通信能力。但是在現實(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(guò)電池供電的移動(dòng)機器人的收發(fā)器的功耗，都大大增加了系統的復雜度。此外，ROS 1僅僅適用于單個(gè)機器人。想要工廠(chǎng)更加智能，就需要有多個(gè)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(guò)機群自治的方式讓車(chē)隊管理系統去中心化，讓AMR實(shí)現了對等的實(shí)時(shí)的通信。
圖 2，一個(gè)新的方向：從ROS 1到ROS 2的遷移，實(shí)現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(chǎng)經(jīng)理的工作優(yōu)先級引起或者驅動(dòng)的。在現代的智能工廠(chǎng)、倉庫和物流中心，工廠(chǎng)經(jīng)理往往希望有更高的吞吐量。他們需要高效且能夠執行其他任務(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(zhù)他們需要AMR來(lái)快速升級運營(yíng)，且無(wú)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(xiàn)、實(shí)時(shí)調整設置并輕松執行任務(wù)。由于這些原因，雖然許多開(kāi)發(fā)人員使用ROS 1進(jìn)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 AMR的未來(lái)是實(shí)現機群的自治。機群自主移動(dòng)機器人可以在幾乎沒(méi)有人類(lèi)操作監督的情況下，完成他們的工作。為了實(shí)現這一目標，行業(yè)必須從ROS 1遷移到ROS 2。 但是，遷移到ROS 2具有一定的挑戰性，尤其是在開(kāi)發(fā)和部署大量AMR時(shí)。對于已經(jīng)使用ROS 1的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，主要面臨三大挑戰：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(gè)機器人系統，開(kāi)發(fā)人員需要選擇和購買(mǎi)從計算平臺到傳感器、運動(dòng)控制器等硬件，還要考慮機械設計、安裝軟件（操作系統、驅動(dòng)和軟件包）。如果開(kāi)發(fā)人員對系統不熟悉，完成整個(gè)系統集成可能需要長(cháng)達一個(gè)月的時(shí)間。如果還需要實(shí)時(shí)能力和專(zhuān)用的QoS等先進(jìn)功能，那么開(kāi)發(fā)人員就必須自行編寫(xiě)代碼。一旦開(kāi)始構建機器人作為概念驗證時(shí)，可擴展性和部署就成為更大的問(wèn)題。 ROS 1的構建本意并不是用于多個(gè)AMR之間的通信，用ROS 1來(lái)開(kāi)發(fā)AMR管理系統來(lái)說(shuō)，會(huì )給AMR帶來(lái)準確性、故障以及損壞的風(fēng)險。運營(yíng)者需要的是大規模的AMR部署，而不是高昂的執行成本。 并且對ROS 1的支持預計將在2025年中止（EOL），這就意味著(zhù)更多的公司需要確定如何從ROS 1遷移到ROS 2。為此，開(kāi)發(fā)人員需要熟悉遷移的過(guò)程。 利用ROS 2實(shí)施AMR部署需要注意的事項 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(guò)多機器人之間的協(xié)作以及可靠的、容錯的實(shí)時(shí)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(gè)統一的數據交換環(huán)境，就像一條數據之河，因此，機群AMR可以相互通信。其他采用分布式數據服務(wù)（DDS）技術(shù)的設備，也可以使用數據之河來(lái)共享數據。 DDS是ROS 2的一個(gè)關(guān)鍵組件，其技術(shù)核心是以數據為中心的發(fā)布-訂閱（Data-Centric Publish-Subscribe, DCPS）模式，提供了一個(gè)所有獨立應用均可訪(fǎng)問(wèn)的全局數據空間。美國海軍使用ROS 2解決了艦船在復雜的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下大規模進(jìn)行軟件升級的兼容性問(wèn)題。自2004年對象管理組（Object Management Group, OMG）發(fā)布以來(lái)，DDS被廣泛用作數據發(fā)布和訂閱的標準解決方案，在自主和要求苛刻的系統中，實(shí)現分布式的實(shí)時(shí)通信。 在尋找合適的基于ROS 2的AMR解決方案時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)因素。 ● 首先，開(kāi)發(fā)人員必須確定系統是否針對AMR導航進(jìn)行了優(yōu)化（包括硬件和軟件集成），以避免耗時(shí)的依賴(lài)性、版本問(wèn)題和編譯錯誤。 ● 為了利用傳感器的融合實(shí)現高精度，以及多個(gè)集成傳感器之間的時(shí)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)化數據的內部處理，需要考慮系統是否具有共享內存的機制（見(jiàn)圖3）。在傳統的實(shí)現方法中，系統中的進(jìn)程需要透過(guò)操作系統網(wǎng)絡(luò )層傳遞消息，這樣就會(huì )導致延遲的現象。訪(fǎng)問(wèn)共享內存并直接執行傳輸是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的解決方法，可以顯著(zhù)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(shí)支持機群自主。
圖3. 使用共享內存的機制優(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。一些供應商提供了軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK），通過(guò)優(yōu)化DDS的性能，支持機群架構并確保通信的穩定可靠。Eclipse Cyclone DDS 是一種快速可靠的 DDS 實(shí)現，被 ROS 2 技術(shù)指導委員會(huì ) (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開(kāi)發(fā)人員。 或者，他們也可以使用非默認 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(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)、經(jīng)過(guò)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(kāi)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(guò)程相關(guān)的好處和問(wèn)題。 凌華科技和富士康組建的FARobot 實(shí)現了機群自主 凌華科技目前正與全球制造業(yè)的巨頭鴻�？萍技瘓F（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(xiàn)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(dòng)的合資企業(yè)，利用ROS 2開(kāi)發(fā)先進(jìn)的機群機器人系統（swarm robot system, SRS）和自主移動(dòng)機器人（AMR）解決方案（見(jiàn)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A(yíng)MR之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，因此它們可以執行任務(wù)調度和分配，并使用對等的通信方式來(lái)確定每個(gè)AMR的位置路徑。如果其中一臺AMR出現故障，車(chē)隊將立即啟動(dòng)備份預案，并自動(dòng)派出最合適的機器人進(jìn)行協(xié)助。 FARobot獨特的AMR解決方案具有機群協(xié)作、任務(wù)故障轉移和性能優(yōu)化等特點(diǎn)。通過(guò)采用最新的機群自治技術(shù)，FARobot 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(shí)間將正確的原料或組件運送到正確的地點(diǎn)，以此減少不必要的停留。 未來(lái)工廠(chǎng)：DDS + 5G專(zhuān)網(wǎng)，保障實(shí)時(shí)的能力 友嘉集團是全球最大的機床制造商之一，勞動(dòng)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(huì )（III）共同構建智能工廠(chǎng)。 在部署智能工廠(chǎng)解決方案時(shí)，您必須考慮制造的靈活性、工廠(chǎng)的擴張和產(chǎn)線(xiàn)的快速切換。在這些環(huán)境中，溝通是關(guān)鍵。DDS可以在有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以及具有多種無(wú)線(xiàn)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，結合5G專(zhuān)網(wǎng)的低延時(shí)和高速傳輸，可以提升AGV的靈敏度和響應速度。 第一次實(shí)施機群自治是在友嘉集團的巖田友嘉精機工廠(chǎng)的工業(yè)級噴槍生產(chǎn)線(xiàn)上，該工廠(chǎng)位于臺灣新竹縣湖口鎮。生產(chǎn)設備和運營(yíng)監控中心與5G專(zhuān)網(wǎng)和DDS進(jìn)行了實(shí)時(shí)的整合，并與生產(chǎn)線(xiàn)信息集成，通過(guò)連接到AMR，將零部件運送到多個(gè)檢測部門(mén)以提高生產(chǎn)力（見(jiàn)圖5）。
圖 5：實(shí)時(shí)集成生產(chǎn)線(xiàn)信息并連接 AMR 進(jìn)行運輸。 該實(shí)施包括三個(gè)重要的技術(shù)應用：AMR 解決方案、自動(dòng)光學(xué)檢測 (AOI) 和增強現實(shí) (AR) 智能眼鏡。 該組合使工廠(chǎng)的良品率提高了 15%，生產(chǎn)成本降低了 20%。 AMR的未來(lái) 隨著(zhù)對采用對等通信的機群自治需求的增加，行業(yè)趨勢將繼續從 AGV過(guò)渡到 AMR，從 ROS 1遷移到 ROS 2。ROS 2 是輔助AMR 開(kāi)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引入了醫療領(lǐng)域，以實(shí)現病房和重癥監護病房的自動(dòng)消毒。AMR還可以為患者提供支持和移動(dòng)協(xié)助。零售業(yè)、店面和餐廳的服務(wù)機器人，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。其他應用包括自主農業(yè)和智能收割、建筑、工業(yè)情節以及災難恢復等等。 AMR的開(kāi)發(fā)和部署需要付出更多的努力，這個(gè)不是一個(gè)公司就能夠完成的。它需要一個(gè)完整的生態(tài)系統，包含了實(shí)時(shí)軟硬件平臺提供商、傳感器和系統集成商、應用的最終用戶(hù)。凌華科技通過(guò)將硬件和軟件與通信技術(shù)相結合，來(lái)支持開(kāi)發(fā)人員在5G專(zhuān)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。 |
