什么是機(jī)器人技術(shù)中的自主性？

談到機(jī)器人技術(shù)，自主性并沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的定義。對(duì)于一些人來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人能夠規(guī)劃自己的路線時(shí)，它就是自主的；而對(duì)于另一些人來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)一個(gè)機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別并對(duì)其環(huán)境做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)時(shí)，它才是真正的自主。這就需要高水平的概率計(jì)算。

概率計(jì)算

為了本文的目的，我們涵蓋了所有使移動(dòng)機(jī)器人能夠獨(dú)立于固定路線移動(dòng)的技術(shù)，認(rèn)識(shí)到這是可以通過(guò)高水平的確定性編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的（例如，如果從A到B的路線被阻斷，則采取從A到C到B的路線），以及使用概率計(jì)算的更復(fù)雜的應(yīng)用。

在自主性的高級(jí)階段，機(jī)器人能夠根據(jù)物體或人的特征（例如，兒童或成人）來(lái)識(shí)別和回應(yīng)，這在技術(shù)上是復(fù)雜的，而且在商業(yè)應(yīng)用中還沒(méi)有。

目前，編程和安裝在機(jī)器人應(yīng)用的總成本中占了很大一部分。上述功能和機(jī)器人學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，再加上越來(lái)越直觀的機(jī)器人編程界面，將繼續(xù)降低機(jī)器人安裝的總體成本，從而推動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用。機(jī)器人制造商和集成商也有可能轉(zhuǎn)向"即插即用"模式，這種模式在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟。制造商將為機(jī)器人提供一定程度的功能，但也將提供一個(gè)接口，通過(guò)這個(gè)接口可以輕松地添加第三方應(yīng)用程序，并將額外的集成成本降到最低。

導(dǎo)航

自主導(dǎo)航--機(jī)器人繪制并執(zhí)行從A到B的路線，在遇到障礙物時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整路線的能力--是AMR的基礎(chǔ)。機(jī)器人的自主導(dǎo)航建立在同步定位和繪圖（SLAM）算法的基礎(chǔ)上，該算法自20世紀(jì)80年代以來(lái)一直在不斷發(fā)展。SLAM算法在建立機(jī)器人周圍環(huán)境地圖的同時(shí)，根據(jù)從傳感器收到的數(shù)據(jù)，確定機(jī)器人在該地圖中的位置。由于每種確定位置的技術(shù)都有缺點(diǎn)（例如，在測(cè)量的距離和可變條件（如霧或高溫）下的可靠性方面），大多數(shù)SLAM的應(yīng)用結(jié)合了來(lái)自多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)，包括光成像檢測(cè)和測(cè)距（LiDAR）、雷達(dá)、GPS、里程測(cè)量（車輪旋轉(zhuǎn)）和超聲波。LiDAR是最穩(wěn)定的應(yīng)用。最近，VSLAM（視覺(jué)SLAM）算法將二維和三維視覺(jué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)添加到混合中。SLAM和VSLAM都是高度復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題，許多研究都是針對(duì)它們的。VSLAM從相機(jī)數(shù)據(jù)中增加了大量的數(shù)據(jù)，還需要復(fù)雜的算法來(lái)識(shí)別冗余的數(shù)據(jù)（"噪音"）。這些都需要大量的計(jì)算資源，但對(duì)于使AMR識(shí)別它所遇到的物體--和人--的類型并作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)至關(guān)重要。

在接下來(lái)的幾年里，計(jì)算機(jī)能力的不斷提高，以及算法的改進(jìn)，減少了需要處理的數(shù)據(jù)量，并加快了處理速度，應(yīng)逐漸降低SLAM和VSLAM的成本。

視覺(jué)和傳感

來(lái)自Photoneo的3D運(yùn)動(dòng)相機(jī)圖像

在過(guò)去的五年里，機(jī)器人視覺(jué)和傳感器有了很大的發(fā)展，大大增強(qiáng)了固定和移動(dòng)機(jī)器人的能力。三維視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)移動(dòng)機(jī)器人尤其重要，因?yàn)槿S視覺(jué)提供的深度數(shù)據(jù)是評(píng)估與潛在障礙物的距離等所需的。三維視覺(jué)傳感器從多個(gè)來(lái)源獲取輸入信息，以找到從不同角度感知的物體之間的匹配點(diǎn)，從而推斷深度。許多三維視覺(jué)系統(tǒng)除了使用激光傳感器外，還使用一個(gè)或多個(gè)攝像頭。三維視覺(jué)是非常復(fù)雜的，尤其是在移動(dòng)環(huán)境中，照明、物體和人的位置等條件都在不斷變化。

在未來(lái)五年內(nèi)，我們可以期待看到傳感器的改進(jìn)--特別是在處理非常小的距離范圍方面--以及隨著傳感器變得更加普遍而降低價(jià)格。傳感器將能夠更好地處理環(huán)境條件，如霧、雨和明亮的陽(yáng)光，以及室內(nèi)的扭曲，例如來(lái)自反射物體的扭曲。識(shí)別移動(dòng)物體的位置和性質(zhì)的技術(shù)也在迅速改進(jìn)--例如，在更快但不太穩(wěn)健的飛行時(shí)間和立體視覺(jué)測(cè)量中加入平行結(jié)構(gòu)的光線測(cè)量6。這是采用取放機(jī)器人處理在傳送帶上移動(dòng)的物體的關(guān)鍵。

視覺(jué)系統(tǒng)可能會(huì)變得越來(lái)越定制化，這樣最終用戶就可以很容易地在他們的機(jī)器人隊(duì)伍中更換視覺(jué)系統(tǒng)，以滿足應(yīng)用的要求。隨著視覺(jué)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，機(jī)器人用戶必須了解并遵守?cái)?shù)據(jù)隱私法規(guī)，特別是在使用3D數(shù)據(jù)傳輸方面--例如，使人在物體上被識(shí)別，但不捕獲個(gè)人的任何識(shí)別特征。

車隊(duì)管理

AMR通常通過(guò)車隊(duì)管理系統(tǒng)與同一制造商的其他AMR相連，通過(guò)這些系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)和監(jiān)測(cè)它們的活動(dòng)。車隊(duì)管理系統(tǒng)可以被配置為不僅控制移動(dòng)機(jī)器人，而且還控制其他機(jī)械或硬件，使機(jī)器人能夠觸發(fā)活動(dòng)，如啟動(dòng)傳送帶或加工工具。車隊(duì)管理軟件正在迅速發(fā)展，除了管理車隊(duì)內(nèi)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)外，還使用先進(jìn)的算法來(lái)確定車隊(duì)的最佳設(shè)置。機(jī)器人和車隊(duì)中的其他機(jī)器可以通過(guò)中央車隊(duì)管理系統(tǒng)連接，也可以直接相互連接。例如，如果一個(gè)機(jī)器人接近一扇門(mén)，開(kāi)門(mén)的命令可以由機(jī)器人向中央系統(tǒng)發(fā)送它在門(mén)前的信息，然后由系統(tǒng)向門(mén)發(fā)送指令，或者直接由機(jī)器人傳送到門(mén)上，并向中央系統(tǒng)更新其位置?；旌夏Ｊ揭埠艹Ｒ?jiàn)，其中機(jī)器人通過(guò)直接通信執(zhí)行一些行動(dòng)，而其他行動(dòng)則由中央管理。

車隊(duì)管理系統(tǒng)也可以與其他軟件應(yīng)用程序連接，如企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），實(shí)現(xiàn)從訂單到執(zhí)行的全過(guò)程自動(dòng)化。

互操作性

對(duì)于已經(jīng)投資于這些技術(shù)的制造商和物流供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，AMR與其他制造商的機(jī)械的AGV和AMR之間的互操作性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如果用戶正在操作來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的AMR，這些供應(yīng)商的車隊(duì)管理系統(tǒng)需要連接。目前，在技術(shù)高度混合的情況下，確保互操作性可能會(huì)吃掉整個(gè)安裝成本的很大一部分。目前有許多倡議來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題--盡管大多數(shù)都處于早期階段。例如，德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（VDA）的VDA50/50是一個(gè)新的接口，使無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)和控制軟件能夠相互獨(dú)立地進(jìn)行通信7。我們可以預(yù)計(jì)，編程和通信接口的發(fā)展將大大減少集成的時(shí)間和成本，從而通過(guò)減少安裝的總成本來(lái)刺激機(jī)器人的采用。

邊緣/云計(jì)算模式

將機(jī)器人連接到本地（邊緣）或遠(yuǎn)程（云）服務(wù)器，使用戶能夠收集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析以提高機(jī)器人的性能。來(lái)自執(zhí)行相同任務(wù)的機(jī)器人群的數(shù)據(jù)可以被匯總和分析，以優(yōu)化機(jī)器人程序，然后可以更新并下載到車隊(duì)中的每個(gè)機(jī)器人。分析這些數(shù)據(jù)模式的算法越來(lái)越復(fù)雜，因此可以非常迅速地做出調(diào)整，并有可能大幅提高效率。

生產(chǎn)或物流周期中的機(jī)器數(shù)字化也使制造商和物流公司對(duì)產(chǎn)品的組成部分有更大的可追溯性。這在食品生產(chǎn)和制藥等領(lǐng)域非常重要，例如，可以識(shí)別假藥。

與遠(yuǎn)程服務(wù)器的連接涉及到大量的數(shù)據(jù)傳輸，必須在兩個(gè)方向上極快地執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人程序的實(shí)時(shí)調(diào)整等。2019年推出的5G網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的連接，而且正在進(jìn)行的5G網(wǎng)絡(luò)的推廣預(yù)計(jì)也將會(huì)是一個(gè)新的趨勢(shì)。

正在進(jìn)行的5G網(wǎng)絡(luò)的推廣預(yù)計(jì)將加速聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人的采用。5G提供了更快的數(shù)據(jù)傳輸，并能全面覆蓋整個(gè)工廠或倉(cāng)庫(kù)，這是WiFi所不能保證的。

云連接帶來(lái)的遠(yuǎn)程操作的可能性也使機(jī)器人即服務(wù)（RaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）的商業(yè)模式成為可能，用戶租用機(jī)器人和/或軟件，并在租賃費(fèi)內(nèi)進(jìn)行維護(hù)和更新。這種模式使公司免去了最初的資本支出，并確保他們始終以最新的技術(shù)工作。機(jī)器人的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)發(fā)送到云端，機(jī)器人供應(yīng)商可以預(yù)測(cè)何時(shí)需要維護(hù)或更新。不需要詳細(xì)適應(yīng)個(gè)人用戶環(huán)境的簡(jiǎn)單應(yīng)用也可以從云端下載。一些公司正在采用混合方法，即購(gòu)買機(jī)器人和租賃軟件。

移動(dòng)性

本文所涉及的行業(yè)中的大多數(shù)AMR都是輪式的，盡管有一小部分是腿式的，用于室內(nèi)環(huán)境，包括平坦的表面、樓梯和斜坡。大多數(shù)輪式AMR是雙向的，但也有一些是全向的，如KUKA KMR iiwa和Neobotix的MPO系列。全向機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中提供更大的靈活性，但往往以更重的輪子為代價(jià)。然而，我們可以期待全向輪的發(fā)展，它將更輕，需要更少的能量來(lái)刺激未來(lái)的應(yīng)用。

KUKA  自主移動(dòng)機(jī)器人

機(jī)體材料

機(jī)器人的物料會(huì)影響它們的尺寸、重量和外觀輪廓，所有這些都會(huì)影響它們?cè)诓煌h(huán)境中的適用性，包括那些機(jī)器人打算或可能會(huì)與人類接觸的環(huán)境。機(jī)器人制造商正在使用較新的輕質(zhì)柔性材料來(lái)建造機(jī)器人，這些機(jī)器人打算從固定或移動(dòng)基地與人類接觸。鋁是一種輕而堅(jiān)硬的材料，經(jīng)常用于機(jī)器人，但機(jī)器人制造商正越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向碳纖維復(fù)合材料，這種材料比鋁更輕，同時(shí)又不犧牲堅(jiān)硬。例如，庫(kù)卡公司2005年發(fā)布的KR 100-2 PA碼垛機(jī)器人9，在機(jī)器人的一個(gè)軸連桿中使用了碳纖維復(fù)合材料。機(jī)器人電機(jī)也越來(lái)越輕。更輕的機(jī)器人意味著更低的前期前期成本，并通過(guò)更快的周期時(shí)間為客戶提高回報(bào)。

可能與人接觸的機(jī)器人一般都有圓形的輪廓，并可能使用機(jī)器人皮膚。皮膚不僅可以吸收接觸的力量，還可以安裝傳感器，以提供先進(jìn)的觸覺(jué)特性，這也是處理精細(xì)材料的機(jī)器人抓手所需要的。

在"軟體機(jī)器人"方面也有相當(dāng)大的發(fā)展，重點(diǎn)是用于機(jī)器人執(zhí)行器的柔性材料。機(jī)器人的無(wú)線充電也有發(fā)展，這減少了對(duì)機(jī)器人接口部件的磨損，意味著機(jī)器人不需要在充電點(diǎn)花費(fèi)時(shí)間。

在本節(jié)中，我們將探討AMR對(duì)不同行業(yè)領(lǐng)域的影響。

軟體抓手，圖片來(lái)源：qbrobotics