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通過集成軟硬件簡化機器人應用的開發和部署 作者：凌華科技新世代機器人平臺事業處產品經理 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、零售商、醫院和其他第三方物流企業，將自主移動機器人（AMR）視為控制勞動力成本、提高吞吐量、縮短交貨時間的關鍵技術。工廠的老板和經理想要快速、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檢測和避開障礙物，在不同的工作環境中進行導航，因此無需在現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開發和部署AMR，并包含工廠、智慧城市和醫院的實際應用案例。 復雜的倉庫需求驅動著 AGV向AMR轉變的大趨勢 AMR市場正在蓬勃發展。2020年，其市場規模約為3.56億美元。據MarketWatch預測，到2026年，AMR全球市場規模將增至10.11億美元，年復合增長率（CAGR）為15.9%。制造和物流企業需要高吞吐量、快速簡單的機器人部署以及靈活的生產線。這一發展趨勢伴隨著新應用的出現，驅動著AGV向AMR的重大轉變。為了理解這個轉變，讓我們先來解釋一下這兩種技術。 AGV和AMR的主要區別 直到現在，AGV也代表了最新的先進技術——能夠將原材料、半成品和成品運輸到制造生產線上或者放到倉庫存儲或者送到物流中心進行檢索。AGV使用軟件以及基于傳感器的導引系統來引導其路徑。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，如果生產線布局發生變化，這就意味著導航的軌道基礎設施需要重新進行路線規劃，這樣往往會牽涉到時間和相關成本的問題。當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無法進行人機互動，因為車隊管理系統是集中式的，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。如果產線布局發生變化，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來動態檢測和躲避障礙物，包括人。這些機器人使用傳感器和攝像頭檢測與實時.通信相結合的技術，實現了與人類的實時協作。 新的方向：從ROS 1到ROS 2的遷移，實現了機群機器人的自主化 機器人操作系統（ROS）是一個用于機器人軟件開發的開源框架，它既不是機器人也不是操作系統。ROS是由兩位斯坦福大學的博士Eric Berger 和 Keenan Wyrobek與2007年創建的，他們期望即使是掌握很少機器人硬件相關知識的軟件開發人員，也能夠為機器人編寫軟件。 如今，ROS Classic（亦稱ROS 1）已經擁有豐富且穩定的軟件包、工具和教程，涵蓋用于開發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、可視化和運動規劃。 ROS 1最初只是為了學術用途而開發的，其使用前提是擁有完美的通信能力。但是在現實世界中，通信條件并非想象的那么完美，尤其是在工業環境中。一些變化的因素，如帶寬、網絡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作。基于DDS（Data Distribution Service）的通信架構，ROS 2通過機群自治的方式讓車隊管理系統去中心化，讓AMR實現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，可能是由于工廠經理的工作優先級引起或者驅動的。在現代的智能工廠、倉庫和物流中心，工廠經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的AMR。業主還希望能夠快速且輕松地進行部署，這就意味著他們需要AMR來快速升級運營，且無需預安裝任何基礎設施。他們還需要能夠靈活的修改生產線、實時調整設置并輕松執行任務。由于這些原因，雖然許多開發人員使用ROS 1進行了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的未來是實現機群的自治。機群自主移動機器人可以在幾乎沒有人類操作監督的情況下，完成他們的工作。為了實現這一目標，行業必須從ROS 1遷移到ROS 2。 但是，遷移到ROS 2具有一定的挑戰性，尤其是在開發和部署大量AMR時。對于已經使用ROS 1的開發人員來說，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，想要構建一個機器人系統，開發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，還要考慮機械設計、安裝軟件（操作系統、驅動和軟件包）。如果開發人員對系統不熟悉，完成整個系統集成可能需要長達一個月的時間。如果還需要實時能力和專用的QoS等先進功能，那么開發人員就必須自行編寫代碼。一旦開始構建機器人作為概念驗證時，可擴展性和部署就成為更大的問題。 ROS 1的構建本意并不是用于多個AMR之間的通信，用ROS 1來開發AMR管理系統來說，會給AMR帶來準確性、故障以及損壞的風險。運營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），這就意味著更多的公司需要確定如何從ROS 1遷移到ROS 2。為此，開發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從學術界帶入了工業領域。ROS 2允許通過多機器人之間的協作以及可靠的、容錯的實時通信在工業中使用。ROS 2采用DDS做為通信主干，提供了一個統一的數據交換環境，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（DDS）技術的設備，也可以使用數據之河來共享數據。 DDS是ROS 2的一個關鍵組件，其技術核心是以數據為中心的發布-訂閱（Data-Centric Publish-Subscribe, DCPS）模式，提供了一個所有獨立應用均可訪問的全局數據空間。美國海軍使用ROS 2解決了艦船在復雜的網絡環境下大規模進行軟件升級的兼容性問題。自2004年對象管理組（Object Management Group, OMG）發布以來，DDS被廣泛用作數據發布和訂閱的標準解決方案，在自主和要求苛刻的系統中，實現分布式的實時通信。 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，開發人員必須確定系統是否針對AMR導航進行了優化（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）至關重要。 ● 為了優化數據的內部處理，需要考慮系統是否具有共享內存的機制（見圖3）。在傳統的實現方法中，系統中的進程需要透過操作系統網絡層傳遞消息，這樣就會導致延遲的現象。訪問共享內存并直接執行傳輸是一種經過優化的解決方法，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. 使用共享內存的機制優化進程間的的通信 最后要考慮解決方案是否易于實施。一些供應商提供了軟件開發工具包（SDK），通過優化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 實現，被 ROS 2 技術指導委員會 (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發人員。 或者，他們也可以使用非默認 RMW進行配置。 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環境 (IDE)、經過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。為了幫助開發人員輕松地從 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程相關的好處和問題。 凌華科技和富士康組建的FARobot 實現了機群自主 凌華科技目前正與全球制造業的巨頭鴻海科技集團（富士康）合作。富士康在其生產設施中使用了AGV，但他們希望提高生產線的靈活性。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，利用ROS 2開發先進的機群機器人系統（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生產的效率和生產力 由于AMR之間可以進行實時通信，因此它們可以執行任務調度和分配，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出現故障，車隊將立即啟動備份預案，并自動派出最合適的機器人進行協助。 FARobot獨特的AMR解決方案具有機群協作、任務故障轉移和性能優化等特點。通過采用最新的機群自治技術，FARobot AMR機器人可以提高工業生產的效率和生產力。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，保障實時的能力 友嘉集團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行物流升級、提升檢測能力以及增強技術服務。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。友嘉集團聯合凌華科技、臺灣資策會（III）共同構建智能工廠。 在部署智能工廠解決方案時，您必須考慮制造的靈活性、工廠的擴張和產線的快速切換。在這些環境中，溝通是關鍵。DDS可以在有線和無線網絡以及具有多種無線通信技術的生產制造環境中充當中間件。具有高可靠性的DDS，結合5G專網的低延時和高速傳輸，可以提升AGV的靈敏度和響應速度。 第一次實施機群自治是在友嘉集團的巖田友嘉精機工廠的工業級噴槍生產線上，該工廠位于臺灣新竹縣湖口鎮。生產設備和運營監控中心與5G專網和DDS進行了實時的整合，并與生產線信息集成，通過連接到AMR，將零部件運送到多個檢測部門以提高生產力（見圖5）。
圖 5：實時集成生產線信息并連接 AMR 進行運輸。 該實施包括三個重要的技術應用：AMR 解決方案、自動光學檢測 (AOI) 和增強現實 (AR) 智能眼鏡。 該組合使工廠的良品率提高了 15%，生產成本降低了 20%。 AMR的未來 隨著對采用對等通信的機群自治需求的增加，行業趨勢將繼續從 AGV過渡到 AMR，從 ROS 1遷移到 ROS 2。ROS 2 是輔助AMR 開發和部署的突破，涵蓋了包括工業在內的眾多行業。 最近的疫情將AMR引入了醫療領域，以實現病房和重癥監護病房的自動消毒。AMR還可以為患者提供支持和移動協助。零售業、店面和餐廳的服務機器人，以及用于智能訂單交貨的最后一公里服務都有AMR的身影。其他應用包括自主農業和智能收割、建筑、工業情節以及災難恢復等等。 AMR的開發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系統，包含了實時軟硬件平臺提供商、傳感器和系統集成商、應用的最終用戶。凌華科技通過將硬件和軟件與通信技術相結合，來支持開發人員在5G專網的環境下，快速、靈活、以成本最優的方式構建和部署AMR。 |
