自主移動(dòng)機器人持續重塑物流和物料搬運

物流中心是幾乎所有需要運輸、儲存或加工實(shí)物商品行業(yè)供應鏈之重要組成部分。當下在全球范圍內，這些物流中心完成訂單數量以及材料處理類(lèi)型和方法都在不斷增加，自主系統越來(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)數量和復雜度。這些趨勢正在進(jìn)一步推動(dòng)自主移動(dòng)機器人（AMR）發(fā)展，并被視為未來(lái)物流中心營(yíng)運之重要組成部分，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(zhù)重于介紹支持最新一代AMR的技術(shù)，以及該技術(shù)將會(huì )如何影響物流供應鏈。

什么是 AMR，它們在哪使用？

AMR與它們的前身自主機器人（AR）或自主導引車(chē)（AGV）不同，AMR是獨立自主移動(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，例如機器人裝配臂。 AMR移動(dòng)性使這些機器人能夠在工業(yè)環(huán)境中提供更廣泛的服務(wù)和更大的靈活性，因為通常不需要操作員或預先定義路徑。正是由于這種高靈活性，使 AMR 現在廣泛用于全球醫療保健、農業(yè)、倉儲和制造等多個(gè)行業(yè)。

現代 AMR 中設計的傳感器和人工智能/機器學(xué)習（AI/ML）功能使這些機器能夠真正在無(wú)人指導情況下運作，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)境中導航。此外，這些機器中，有許多采用堅固設計，有助于它們在對人類(lèi)操作員來(lái)說(shuō)非常危險，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、馬達控制/驅動(dòng)技術(shù)、電池/充電系統、傳感器和無(wú)線(xiàn)通信能力。必須仔細設計和實(shí)施這些技術(shù)各個(gè)層面，以實(shí)現更高效率、安全性和生產(chǎn)力。

大腦：人工智能/機器學(xué)習系統

AI/ML 系統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）、數字信號處理器（DSP）、現場(chǎng)可程序化邏輯門(mén)陣列（FPGA）和圖形處理單元（GPU）等。設計和實(shí)施基本 AI/ML 系統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據、通訊和操作機器人移動(dòng)所需控制系統。

通常，系統所需響應時(shí)間、視覺(jué)系統幀率和任務(wù)復雜性決定了 AMR 在執行特定級別任務(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 系統方面都可以透過(guò)使用預先打包套件或硬件及軟件包來(lái)加速實(shí)施，以應對3D 視覺(jué)、運動(dòng)控制或安全性等各種 AMR 挑戰。

力量：馬達控制和馬達技術(shù)

要使 AMR 具有移動(dòng)性，需要相應驅動(dòng)技術(shù)、能量?jì)Υ婧湍芰總鬏?充電系統。這些系統很可能透過(guò)馬達、電池儲存和電能充電實(shí)現，類(lèi)似于電動(dòng)車(chē)使用的系統。對于更高效和更可靠 AMR 馬達系統，最常見(jiàn)驅動(dòng)技術(shù)是采用無(wú)刷直流（BLDC）馬達和用于操作功能的步進(jìn)馬達，這類(lèi)似于計算機數值控制（CNC）銑床等電動(dòng)工具和電子設備中使用技術(shù)，這些系統需要馬達驅動(dòng)器和復雜控制系統，以實(shí)現運動(dòng)和機械手控制可靠運作。

能量：電池和充電技術(shù)

盡管系留操作（tethered operation）對于跟蹤或固定機器人系統可行，但 AMR 通常需要自供電，這需要車(chē)載能量?jì)Υ?，還可能涉及與充電器對接充電系統。鋰離子（Li-ion）電池化學(xué)成分是最常見(jiàn)高密度儲能解決方案，可采用直流快速充電（DCFC） 將電網(wǎng)能量傳輸到 AMR 并最大限度地減少停機時(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/健康電子設備。雖然電子設備充電可能不一定包含在 AMR 內部，但仍需要安裝交流（AC）到直流 （AC/DC）反相器（inverter）和 DC/DC 電源轉換器，以便AMR能夠自行對接和充電，從而最大限度減少往返充電基礎設施所浪費精力和時(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)系統是 AMR 成功導航和確保安全，避免損壞自身、周?chē)敭a(chǎn)或貨物所必需功能，這些傳感器系統可以是傳統可見(jiàn)光攝影鏡頭、紅外（IR）相機、超音波測距傳感器、激光雷達 （LiDAR）、紅外接近傳感器，甚至是 3D 視覺(jué)系統。傳感器數據分辨率、拮取時(shí)間和傳感器數量決定了 AI/ML 系統需要處理數據產(chǎn)出量。為了獲得最佳性能和安全性，通常需要在幾毫秒內完成這些處理。

耳朵和嘴：無(wú)線(xiàn)通信系統

如果需要部署多個(gè) AMR，無(wú)線(xiàn)連接對于 AMR 與設施系統以及彼此之間通訊至關(guān)重要。用于實(shí)現這些目標的常見(jiàn)無(wú)線(xiàn)技術(shù)包括 Wi-Fi、4G LTE、BLUETOOTH 和當下的 5G。所使用的無(wú)線(xiàn)通信系統類(lèi)型取決于 AMR 與設施或其他 AMR 之間所需數據量和通訊類(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據但不一定是時(shí)間關(guān)鍵型，那么 Wi-Fi 可能是比較合適。新興 5G服務(wù)能夠實(shí)現大規模機器類(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)鍵型數據或需要確定性，5G可能是最可行無(wú)線(xiàn)解決方案。

結論

AMR 是許多物流中心和制造設施之未來(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的復雜機器，必須對其進(jìn)行認真方案選擇、設計、程序和整合，以便實(shí)現可靠、安全和高效的 AMR。

（本文作者Jean-Jacques DeLisle為貿澤電子特約作者）