世界的變化正在快速改變現(xiàn)代倉庫的變化,。電子商務(wù),、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(guān)鍵技術(shù)。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(jìn)行導(dǎo)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(shù)開發(fā)和部署AMR,，并包含工廠、智慧城市和醫(yī)院的實際應(yīng)用案例,。

復(fù)雜的倉庫需求驅(qū)動著 AGV向AMR轉(zhuǎn)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(yù)測,，到2026年，AMR全球市場規(guī)模將增至10.11億美元,，年復(fù)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(yīng)用的出現(xiàn),，驅(qū)動著AGV向AMR的重大轉(zhuǎn)變,。為了理解這個轉(zhuǎn)變，讓我們先來解釋一下這兩種技術(shù),。

AGV和AMR的主要區(qū)別

直到現(xiàn)在,，AGV也代表了最新的先進(jìn)技術(shù)——能夠?qū)⒃牧稀氤善泛统善愤\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(jìn)行檢索,。AGV使用軟件以及基于傳感器的導(dǎo)引系統(tǒng)來引導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)航的軌道基礎(chǔ)設(shè)施需要重新進(jìn)行路線規(guī)劃,，這樣往往會牽涉到時間和相關(guān)成本的問題,。當(dāng)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(jìn)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(shù)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(jié)合的技術(shù),，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(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(yīng)用程序的硬件,。ROS模塊包含了傳感器的融合,、導(dǎo)航、可視化和運動規(guī)劃,。

ROS 1最初只是為了學(xué)術(shù)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(luò)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(fù)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(gòu)，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(zhuǎn)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(qū)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(wù)的AMR,。業(yè)主還希望能夠快速且輕松地進(jìn)行部署,，這就意味著他們需要AMR來快速升級運營，且無需預(yù)安裝任何基礎(chǔ)設(shè)施,。他們還需要能夠靈活的修改生產(chǎn)線,、實時調(diào)整設(shè)置并輕松執(zhí)行任務(wù)。由于這些原因,，雖然許多開發(fā)人員使用ROS 1進(jìn)行了AMR的原型設(shè)計,，但都有遷移到ROS 2的需求,。

構(gòu)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(biāo)，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(fù)雜性、可擴(kuò)展性和可升級性,。

AMR的設(shè)計比較復(fù)雜,，想要構(gòu)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(shè)計、安裝軟件（操作系統(tǒng),、驅(qū)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(dá)一個月的時間,。如果還需要實時能力和專用的QoS等先進(jìn)功能,，那么開發(fā)人員就必須自行編寫代碼。一旦開始構(gòu)建機器人作為概念驗證時,，可擴(kuò)展性和部署就成為更大的問題,。

ROS 1的構(gòu)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(zhǔn)確性,、故障以及損壞的風(fēng)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(yù)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(xué)術(shù)界帶入了工業(yè)領(lǐng)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(wù)（DDS）技術(shù)的設(shè)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(guān)鍵組件,，其技術(shù)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(yīng)用均可訪問的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間,。美國海軍使用ROS 2解決了艦船在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下大規(guī)模進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)航進(jìn)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(guān)重要,。

●為了優(yōu)化數(shù)據(jù)的內(nèi)部處理,，需要考慮系統(tǒng)是否具有共享內(nèi)存的機制（見圖3）。在傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法中,，系統(tǒng)中的進(jìn)程需要透過操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層傳遞消息,，這樣就會導(dǎo)致延遲的現(xiàn)象。訪問共享內(nèi)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(nèi)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施,。一些供應(yīng)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(gòu)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(shù)指導(dǎo)委員會 (TSC) 選為 ROS 2 Galactic Geochelone 版本的默認(rèn) ROS 中間件 (RMW),。 此默認(rèn)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(rèn) RMW進(jìn)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(yīng)用，以及提供參考設(shè)計示例代碼的供應(yīng)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(yīng)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(guān)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?？萍技瘓F(tuán)（富士康）合作。富士康在其生產(chǎn)設(shè)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(jìn)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(jìn)行實時通信,，因此它們可以執(zhí)行任務(wù)調(diào)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(yù)案，并自動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(zhuǎn)移和性能優(yōu)化等特點。通過采用最新的機群自治技術(shù),，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(tuán)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(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(tǒng)的靈活性以提高效率并降低成本,。友嘉集團(tuán)聯(lián)合凌華科技、臺灣資策會（III）共同構(gòu)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(kuò)張和產(chǎn)線的快速切換。在這些環(huán)境中,，溝通是關(guān)鍵,。DDS可以在有線和無線網(wǎng)絡(luò)以及具有多種無線通信技術(shù)的生產(chǎn)制造環(huán)境中充當(dāng)中間件。具有高可靠性的DDS,，結(jié)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(yīng)速度。

第一次實施機群自治是在友嘉集團(tuán)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(shè)備和運營監(jiān)控中心與5G專網(wǎng)和DDS進(jìn)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(jìn)行運輸,。

該實施包括三個重要的技術(shù)應(yīng)用：AMR 解決方案、自動光學(xué)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(nèi)的眾多行業(yè),。

最近的疫情將AMR引入了醫(yī)療領(lǐng)域，以實現(xiàn)病房和重癥監(jiān)護(hù)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(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(yīng)用包括自主農(nóng)業(yè)和智能收割、建筑,、工業(yè)情節(jié)以及災(zāi)難恢復(fù)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(yīng)用的最終用戶,。凌華科技通過將硬件和軟件與通信技術(shù)相結(jié)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(gòu)建和部署AMR。