自主移動(dòng)機(jī)器人被認(rèn)為是無(wú)人駕駛運(yùn)輸車輛的下一步。這種發(fā)展的背后是什么？

自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。2020 年，市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)到達(dá) 3.56 億美元。MarketWatch預(yù)測(cè)，到 2026 年，市場(chǎng)規(guī)模將以 15.9% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)到 10.11 億美元。

直到最近，AGV 仍代表著最新的技術(shù)，它們能夠?qū)⒃牧稀⒃谥破泛统善愤\(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)線，或者從倉(cāng)庫(kù)和物流中心存儲(chǔ)和取回貨物。AGV 結(jié)合使用軟件和基于傳感器的引導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)。它們?cè)谝苿?dòng)負(fù)載時(shí)執(zhí)行安全可靠的工作，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠潭窂缴瞎ぷ鳎⒕哂芯_控制的加速和減速以及障礙物檢測(cè)。

但是，AGV缺乏靈活性。例如，如果生產(chǎn)線的布局發(fā)生變化，則必須相應(yīng)地調(diào)整軌道引導(dǎo)，這通常與時(shí)間和金錢的花費(fèi)有關(guān)。如果 AGV 檢測(cè)到障礙物，它就會(huì)停下來(lái)，直到有人移開該物體。此外，AGV 無(wú)法與人類交互，因?yàn)檐囮?duì)管理系統(tǒng)是集中式的，并且在沒(méi)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的情況下工作。

AMR 更加靈活：當(dāng)操作布局發(fā)生變化時(shí)，同步定位和地圖構(gòu)建 (SLAM) 允許機(jī)器人探索仍然未知的空間自動(dòng)生成地圖，而無(wú)需操作員的任何額外努力或成本。AMR 使用一系列傳感器技術(shù)以及攝像頭檢測(cè)和實(shí)時(shí)通信技術(shù)的組合來(lái)動(dòng)態(tài)檢測(cè)和避開包括人在內(nèi)的障礙物。

新方向

AGV與AMR的比較

機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）是用于開發(fā)機(jī)器人軟件的開源框架，即既不是機(jī)器人也不是操作系統(tǒng)。ROS 由美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究生 Eric Berger 和 Keenan Wyrobek 于 2007 年創(chuàng)建，其目標(biāo)是讓對(duì)機(jī)器人硬件了解最少的軟件開發(fā)人員能夠?yàn)闄C(jī)器人編寫軟件。用來(lái)幫助開發(fā)人員建立機(jī)器人應(yīng)用程序，它提供了硬件抽象、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、函數(shù)庫(kù)、可視化工具、消息傳遞和軟件包管理等諸多功能。

今天，ROS Classic (ROS 1) 提供了許多強(qiáng)大的軟件包、工具和教程，其中包括用于開發(fā)各種機(jī)器人應(yīng)用程序的硬件。ROS 構(gòu)建塊包括傳感器融合、導(dǎo)航、可視化和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

ROS 1 最初是為學(xué)術(shù)用途而開發(fā)的，需要完美的溝通。然而，在實(shí)踐中，這遠(yuǎn)非完美，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域。帶寬、網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)、通信范圍和電池供電移動(dòng)機(jī)器人的收發(fā)器功耗等可變因素也使找到最佳解決方案變得困難。此外，ROS 1 僅適用于單個(gè)機(jī)器人。讓多機(jī)器人工廠更智能地工作需要協(xié)作技能。這就是 ROS 2 發(fā)揮作用的地方，它基于 DDS 通信框架，通過(guò)啟用 AMR 實(shí)時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（即所謂的群自治）來(lái)分散車隊(duì)管理系統(tǒng)。

從 ROS 1 到 ROS 2 的遷移實(shí)現(xiàn)了群體機(jī)器人的自主性

一群自主移動(dòng)機(jī)器人可以在很少或沒(méi)有人工操作員監(jiān)督的情況下執(zhí)行其任務(wù)。但是，該行業(yè)需要從 ROS 1 轉(zhuǎn)向 ROS 2 才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這種遷移是一個(gè)挑戰(zhàn)。

對(duì)于已經(jīng)使用 ROS 1 的開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，存在三個(gè)主要挑戰(zhàn)：復(fù)雜性、可擴(kuò)展性和可升級(jí)性。AMR 設(shè)計(jì)很復(fù)雜。從計(jì)算平臺(tái)到傳感器、運(yùn)動(dòng)控制器和機(jī)械設(shè)計(jì)，構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)需要用戶選擇和購(gòu)買硬件并安裝軟件（操作系統(tǒng)（OS）、驅(qū)動(dòng)程序和軟件包）。如果他們對(duì)系統(tǒng)不熟悉，則可能需要長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的時(shí)間才能完成系統(tǒng)集成。如果需要實(shí)時(shí)功能或?qū)Ｓ梅?wù)質(zhì)量 (QoS) 等擴(kuò)展功能，則開發(fā)人員必須自己編寫代碼。當(dāng)構(gòu)建機(jī)器人作為概念驗(yàn)證時(shí)，可擴(kuò)展性和部署問(wèn)題是主要問(wèn)題。

ROS 1 在概念上并非旨在跨多個(gè) AMR 進(jìn)行通信。在這種情況下，車隊(duì)系統(tǒng)將面臨準(zhǔn)確性問(wèn)題、故障或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。此外，到 2025 年，對(duì) ROS 1 的支持將達(dá)到生命周期結(jié)束 (EOL)；受影響的公司必須決定如何管理從 ROS 1 到 ROS 2 的遷移。

ROS 2 是將 ROS 1 從學(xué)術(shù)界帶到工業(yè)領(lǐng)域的更新。ROS 2 支持多個(gè)機(jī)器人進(jìn)行工業(yè)使用，這些機(jī)器人能夠協(xié)作和可靠、容錯(cuò)、實(shí)時(shí)通信。以 DDS 為骨干，ROS 2 提供了一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換環(huán)境（例如數(shù)據(jù)流），允許 AMR 群進(jìn)行通信。具有分布式數(shù)據(jù)服務(wù) (DDS) 技術(shù)的其他設(shè)備也可以使用數(shù)據(jù)流進(jìn)行共享數(shù)據(jù)交換。

DDS 是 ROS 2 的關(guān)鍵組件。該技術(shù)的核心是 Data-Centric Publish-Subscribe (DCPS) 標(biāo)準(zhǔn)，它提供了一個(gè)可供所有獨(dú)立應(yīng)用程序訪問(wèn)的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間。美國(guó)海軍使用 ROS 2 解決了艦艇上因重大軟件升級(jí)而導(dǎo)致的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的兼容性問(wèn)題。自 2004 年由對(duì)象管理組織 (OMG) 發(fā)布以來(lái)，DDS 已被廣泛用作自主和復(fù)雜系統(tǒng)中分布式實(shí)時(shí)通信的數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱模式的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。

正確的AMR解決方案

在尋找合適的基于ROS 2的AMR解決方案時(shí)，有幾個(gè)方面需要考慮。公司必須首先確定系統(tǒng)是否針對(duì)AMR導(dǎo)航進(jìn)行了優(yōu)化，包括硬件和軟件整合，以避免耗時(shí)的依賴性、版本問(wèn)題和編譯錯(cuò)誤。

為了實(shí)現(xiàn)傳感器融合的高精度，多個(gè)集成傳感器的時(shí)間同步至關(guān)重要，例如GMSL（千兆位多媒體串行鏈接）圖像和慣性測(cè)量單元（IMU）。

為了優(yōu)化內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)共享內(nèi)存機(jī)制。在傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式中，系統(tǒng)中的進(jìn)程必須通過(guò)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)消息，這導(dǎo)致了延遲。訪問(wèn)共享內(nèi)存和直接傳輸是優(yōu)化的方法，可以大大降低延遲。

所設(shè)計(jì)的解決方案應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)分散的通信，支持蜂群的自主性，同時(shí)確保容錯(cuò)和冗余。

最后，應(yīng)評(píng)估該解決方案是否易于實(shí)施。一些供應(yīng)商提供具有優(yōu)化的DDS性能的軟件開發(fā)工具包，以支持蜂群結(jié)構(gòu)并確?？煽康耐ㄐ?。Eclipse Cyclone DDS是一個(gè)快速可靠的DDS實(shí)現(xiàn)，被ROS 2技術(shù)指導(dǎo)委員會(huì)（TSC）選為ROS 2 Galactic Geochelone版本的默認(rèn)ROS中間件（RMW）。這種默認(rèn)配置適用于大多數(shù)開發(fā)人員，但非默認(rèn)的RMW配置也是可能的。

選擇提供集成開發(fā)環(huán)境（IDE）、具有經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證的軟件包的應(yīng)用程序以及參考設(shè)計(jì)的示例代碼的供應(yīng)商是一個(gè)好主意，這樣可以更容易實(shí)現(xiàn)和更快部署。為了使開發(fā)者更容易從ROS 1遷移到ROS 2，一些供應(yīng)商提供了不同方法的遷移指南，強(qiáng)調(diào)了與遷移過(guò)程有關(guān)的好處和問(wèn)題。

用于蜂群自主的FARobot

FARobot-AMR是Adlink和富士康的一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目

Adlink目前正在與鴻?？萍技瘓F(tuán)（富士康）合作。富士康正在其生產(chǎn)設(shè)施中使用FTF，但希望提高其生產(chǎn)線的靈活性。因此，富士康與Adlink成立了一家名為FARobot的合資企業(yè)，利用ROS 2開發(fā)先進(jìn)的蜂群機(jī)器人系統(tǒng)（SRS）和自主移動(dòng)機(jī)器人解決方案。

由于AMR之間的實(shí)時(shí)通信，它們可以進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和分配，并通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信確定每個(gè)ARM的位置路徑。如果其中一個(gè)AMR出現(xiàn)故障，車隊(duì)立即提供備份，并派出最合適的機(jī)器人來(lái)協(xié)助。

用DDS進(jìn)行實(shí)時(shí)整合的私有5G

通過(guò)部署FTF，機(jī)床制造商Fair Friend Group（友嘉實(shí)業(yè)集團(tuán)，F(xiàn)FG）希望提高靈活性，以便能夠提高效率和降低成本。與Adlink和中國(guó)臺(tái)灣信息產(chǎn)業(yè)研究所（III）一起，F(xiàn)FG計(jì)劃建立智能工廠。這必須考慮到制造的靈活性、工廠擴(kuò)張和生產(chǎn)線的快速變化。由于這種環(huán)境的關(guān)鍵是通信，DDS適合作為有線和無(wú)線生產(chǎn)環(huán)境以及具有多種無(wú)線技術(shù)的中間件。

Eddie Liu是位于臺(tái)灣臺(tái)北的Adlink公司的AMR產(chǎn)品經(jīng)理

蜂群自主的第一個(gè)實(shí)施是在FFG成員Anest Iwata位于臺(tái)灣新竹縣湖口鎮(zhèn)的工廠的工業(yè)級(jí)噴槍的生產(chǎn)線上。生產(chǎn)設(shè)備和操作監(jiān)控中心使用私人5G與DDS實(shí)時(shí)整合生產(chǎn)線信息，并與AMR連接，將零件和部件運(yùn)送到多個(gè)檢查部門，以提高生產(chǎn)力。

該實(shí)施方案包括三項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用：AMR解決方案、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)智能眼鏡。這種組合使工廠的投資回報(bào)率提高了15%，生產(chǎn)成本降低了20%。