自主移動(dòng)機(jī)器人持續(xù)重塑物流和物料搬運(yùn)

物流中心是幾乎所有需要運(yùn)輸、儲(chǔ)存或加工實(shí)物商品行業(yè)供應(yīng)鏈之重要組成部分。當(dāng)下在全球范圍內(nèi)，這些物流中心完成訂單數(shù)量以及材料處理類(lèi)型和方法都在不斷增加，自主系統(tǒng)越來(lái)越多得到采用，以便更安全有效地處理物流中心不斷增加的任務(wù)數(shù)量和復(fù)雜度。這些趨勢(shì)正在進(jìn)一步推動(dòng)自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）發(fā)展，并被視為未來(lái)物流中心營(yíng)運(yùn)之重要組成部分，可提高工人安全性、靈活性、效率和生產(chǎn)力。

在此，本文討論著重于介紹支持最新一代AMR的技術(shù)，以及該技術(shù)將會(huì)如何影響物流供應(yīng)鏈。

什么是 AMR，它們?cè)谀氖褂茫?/span>

AMR與它們的前身自主機(jī)器人（AR）或自主導(dǎo)引車(chē)（AGV）不同，AMR是獨(dú)立自主移動(dòng)，而不是安裝在固定位置，或局限于有限任務(wù)固定軌道上，例如機(jī)器人裝配臂。 AMR移動(dòng)性使這些機(jī)器人能夠在工業(yè)環(huán)境中提供更廣泛的服務(wù)和更大的靈活性，因?yàn)橥ǔ２恍枰僮鲉T或預(yù)先定義路徑。正是由于這種高靈活性，使 AMR 現(xiàn)在廣泛用于全球醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)和制造等多個(gè)行業(yè)。

現(xiàn)代 AMR 中設(shè)計(jì)的傳感器和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）功能使這些機(jī)器能夠真正在無(wú)人指導(dǎo)情況下運(yùn)作，甚至可以使用同步定位和映射（SLAM）在具有意外障礙物未知環(huán)境中導(dǎo)航。此外，這些機(jī)器中，有許多采用堅(jiān)固設(shè)計(jì)，有助于它們?cè)趯?duì)人類(lèi)操作員來(lái)說(shuō)非常危險(xiǎn)，或難于進(jìn)入并完成所需任務(wù)的環(huán)境中使用。

AMR剖析

AMR 要提供這些功能，需要一套板載 AI/ML 資源、馬達(dá)控制/驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電池/充電系統(tǒng)、傳感器和無(wú)線通信能力。必須仔細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)施這些技術(shù)各個(gè)層面，以實(shí)現(xiàn)更高效率、安全性和生產(chǎn)力。

大腦：人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)

AI/ML 系統(tǒng)涉及各種硬件解決方案的廣泛開(kāi)發(fā)和潛在使用，其中包括微處理器單元（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、現(xiàn)場(chǎng)可程序化邏輯門(mén)陣列（FPGA）和圖形處理單元（GPU）等。設(shè)計(jì)和實(shí)施基本 AI/ML 系統(tǒng)需要一套完全不同工具，然后才能將 AI/ML 技術(shù)視為有效/安全和部署。通常這些硬件解決方案中多個(gè)可用于有效地處理傳感器數(shù)據(jù)、通訊和操作機(jī)器人移動(dòng)所需控制系統(tǒng)。

通常，系統(tǒng)所需響應(yīng)時(shí)間、視覺(jué)系統(tǒng)幀率和任務(wù)復(fù)雜性決定了 AMR 在執(zhí)行特定級(jí)別任務(wù)時(shí)的資源需求。另一個(gè)因素是開(kāi)發(fā)時(shí)間和擁有資源。AI/ML 系統(tǒng)方面都可以透過(guò)使用預(yù)先打包套件或硬件及軟件包來(lái)加速實(shí)施，以應(yīng)對(duì)3D 視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)控制或安全性等各種 AMR 挑戰(zhàn)。

力量：馬達(dá)控制和馬達(dá)技術(shù)

要使 AMR 具有移動(dòng)性，需要相應(yīng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、能量?jī)?chǔ)存和能量傳輸/充電系統(tǒng)。這些系統(tǒng)很可能透過(guò)馬達(dá)、電池儲(chǔ)存和電能充電實(shí)現(xiàn)，類(lèi)似于電動(dòng)車(chē)使用的系統(tǒng)。對(duì)于更高效和更可靠 AMR 馬達(dá)系統(tǒng)，最常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是采用無(wú)刷直流（BLDC）馬達(dá)和用于操作功能的步進(jìn)馬達(dá)，這類(lèi)似于計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（CNC）銑床等電動(dòng)工具和電子設(shè)備中使用技術(shù)，這些系統(tǒng)需要馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器和復(fù)雜控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手控制可靠運(yùn)作。

能量：電池和充電技術(shù)

盡管系留操作（tethered operation）對(duì)于跟蹤或固定機(jī)器人系統(tǒng)可行，但 AMR 通常需要自供電，這需要車(chē)載能量?jī)?chǔ)存，還可能涉及與充電器對(duì)接充電系統(tǒng)。鋰離子（Li-ion）電池化學(xué)成分是最常見(jiàn)高密度儲(chǔ)能解決方案，可采用直流快速充電（DCFC） 將電網(wǎng)能量傳輸?shù)?AMR 并最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。鋰離子電池需要專(zhuān)門(mén)充電、放電、平衡和其他電池安全/健康電子設(shè)備。雖然電子設(shè)備充電可能不一定包含在 AMR 內(nèi)部，但仍需要安裝交流（AC）到直流 （AC/DC）反相器（inverter）和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器，以便AMR能夠自行對(duì)接和充電，從而最大限度減少往返充電基礎(chǔ)設(shè)施所浪費(fèi)精力和時(shí)間。

眼睛：傳感器、攝影鏡頭、3D 視覺(jué)

為了讓 AMR 避開(kāi)障礙物并在操作區(qū)發(fā)生環(huán)境變化情況下成功改道，AMR 需要一套傳感器來(lái)通知周?chē)h(huán)境 AI/ML 算法。視覺(jué)系統(tǒng)是 AMR 成功導(dǎo)航和確保安全，避免損壞自身、周?chē)?cái)產(chǎn)或貨物所必需功能，這些傳感器系統(tǒng)可以是傳統(tǒng)可見(jiàn)光攝影鏡頭、紅外（IR）相機(jī)、超音波測(cè)距傳感器、激光雷達(dá) （LiDAR）、紅外接近傳感器，甚至是 3D 視覺(jué)系統(tǒng)。傳感器數(shù)據(jù)分辨率、拮取時(shí)間和傳感器數(shù)量決定了 AI/ML 系統(tǒng)需要處理數(shù)據(jù)產(chǎn)出量。為了獲得最佳性能和安全性，通常需要在幾毫秒內(nèi)完成這些處理。

耳朵和嘴：無(wú)線通信系統(tǒng)

如果需要部署多個(gè) AMR，無(wú)線連接對(duì)于 AMR 與設(shè)施系統(tǒng)以及彼此之間通訊至關(guān)重要。用于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的常見(jiàn)無(wú)線技術(shù)包括 Wi-Fi、4G LTE、BLUETOOTH 和當(dāng)下的 5G。所使用的無(wú)線通信系統(tǒng)類(lèi)型取決于 AMR 與設(shè)施或其他 AMR 之間所需數(shù)據(jù)量和通訊類(lèi)型，如果只是偶爾從集中位置進(jìn)行軟件更新，4G LTE 可能已經(jīng)足夠。如果需要傳輸大量數(shù)據(jù)但不一定是時(shí)間關(guān)鍵型，那么 Wi-Fi 可能是比較合適。新興 5G服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通訊（mMTC）和超可靠低延遲通訊（URLLC），如果需要傳輸時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)或需要確定性，5G可能是最可行無(wú)線解決方案。

結(jié)論

AMR 是許多物流中心和制造設(shè)施之未來(lái)，在這些任務(wù)中雇用人工操作員可能會(huì)成本太高或不安全。 但AMR 也是擁有大量電子分系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)器，必須對(duì)其進(jìn)行認(rèn)真方案選擇、設(shè)計(jì)、程序和整合，以便實(shí)現(xiàn)可靠、安全和高效的 AMR。

（本文作者Jean-Jacques DeLisle為貿(mào)澤電子特約作者）