什么是機器人技術(shù)中的自主性？

談到機器人技術(shù)，自主性并沒有一個公認的定義。對于一些人來說，當一個移動機器人能夠規(guī)劃自己的路線時，它就是自主的；而對于另一些人來說，只有當一個機器人能夠?qū)崟r識別并對其環(huán)境做出適當?shù)姆磻?yīng)時，它才是真正的自主。這就需要高水平的概率計算。

概率計算

為了本文的目的，我們涵蓋了所有使移動機器人能夠獨立于固定路線移動的技術(shù)，認識到這是可以通過高水平的確定性編程來實現(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），以及使用概率計算的更復(fù)雜的應(yīng)用。

在自主性的高級階段，機器人能夠根據(jù)物體或人的特征（例如，兒童或成人）來識別和回應(yīng)，這在技術(shù)上是復(fù)雜的，而且在商業(yè)應(yīng)用中還沒有。

目前，編程和安裝在機器人應(yīng)用的總成本中占了很大一部分。上述功能和機器人學(xué)習技術(shù)的發(fā)展，再加上越來越直觀的機器人編程界面，將繼續(xù)降低機器人安裝的總體成本，從而推動機器人的應(yīng)用。機器人制造商和集成商也有可能轉(zhuǎn)向"即插即用"模式，這種模式在計算機領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟。制造商將為機器人提供一定程度的功能，但也將提供一個接口，通過這個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--機器人繪制并執(zhí)行從A到B的路線，在遇到障礙物時實時調(diào)整路線的能力--是AMR的基礎(chǔ)。機器人的自主導(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80年代以來一直在不斷發(fā)展。SLAM算法在建立機器人周圍環(huán)境地圖的同時，根據(jù)從傳感器收到的數(shù)據(jù)，確定機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（例如，在測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)合了來自多個來源的數(shù)據(jù)，包括光成像檢測和測距（LiDAR）、雷達、GPS、里程測量（車輪旋轉(zhuǎn)）和超聲波。LiDAR是最穩(wěn)定的應(yīng)用。最近，VSLAM（視覺SLAM）算法將二維和三維視覺系統(tǒng)數(shù)據(jù)添加到混合中。SLAM和VSLAM都是高度復(fù)雜的計算問題，許多研究都是針對它們的。VSLAM從相機數(shù)據(jù)中增加了大量的數(shù)據(jù)，還需要復(fù)雜的算法來識別冗余的數(shù)據(jù)（"噪音"）。這些都需要大量的計算資源，但對于使AMR識別它所遇到的物體--和人--的類型并作出適當?shù)姆磻?yīng)至關(guān)重要。

在接下來的幾年里，計算機能力的不斷提高，以及算法的改進，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。

視覺和傳感

來自Photoneo的3D運動相機圖像

在過去的五年里，機器人視覺和傳感器有了很大的發(fā)展，大大增強了固定和移動機器人的能力。三維視覺技術(shù)的發(fā)展對移動機器人尤其重要，因為三維視覺提供的深度數(shù)據(jù)是評估與潛在障礙物的距離等所需的。三維視覺傳感器從多個來源獲取輸入信息，以找到從不同角度感知的物體之間的匹配點，從而推斷深度。許多三維視覺系統(tǒng)除了使用激光傳感器外，還使用一個或多個攝像頭。三維視覺是非常復(fù)雜的，尤其是在移動環(huán)境中，照明、物體和人的位置等條件都在不斷變化。

在未來五年內(nèi)，我們可以期待看到傳感器的改進--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、雨和明亮的陽光，以及室內(nèi)的扭曲，例如來自反射物體的扭曲。識別移動物體的位置和性質(zhì)的技術(shù)也在迅速改進--例如，在更快但不太穩(wěn)健的飛行時間和立體視覺測量中加入平行結(jié)構(gòu)的光線測量6。這是采用取放機器人處理在傳送帶上移動的物體的關(guān)鍵。

視覺系統(tǒng)可能會變得越來越定制化，這樣最終用戶就可以很容易地在他們的機器人隊伍中更換視覺系統(tǒng)，以滿足應(yīng)用的要求。隨著視覺系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，機器人用戶必須了解并遵守數(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，使人在物體上被識別，但不捕獲個人的任何識別特征。

車隊管理

AMR通常通過車隊管理系統(tǒng)與同一制造商的其他AMR相連，通過這些系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)和監(jiān)測它們的活動。車隊管理系統(tǒng)可以被配置為不僅控制移動機器人，而且還控制其他機械或硬件，使機器人能夠觸發(fā)活動，如啟動傳送帶或加工工具。車隊管理軟件正在迅速發(fā)展，除了管理車隊內(nèi)機器的運動外，還使用先進的算法來確定車隊的最佳設(shè)置。機器人和車隊中的其他機器可以通過中央車隊管理系統(tǒng)連接，也可以直接相互連接。例如，如果一個機器人接近一扇門，開門的命令可以由機器人向中央系統(tǒng)發(fā)送它在門前的信息，然后由系統(tǒng)向門發(fā)送指令，或者直接由機器人傳送到門上，并向中央系統(tǒng)更新其位置?；旌夏Ｊ揭埠艹Ｒ?，其中機器人通過直接通信執(zhí)行一些行動，而其他行動則由中央管理。

車隊管理系統(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），實現(xiàn)從訂單到執(zhí)行的全過程自動化。

互操作性

對于已經(jīng)投資于這些技術(shù)的制造商和物流供應(yīng)商來說，AMR與其他制造商的機械的AGV和AMR之間的互操作性是一個關(guān)鍵問題。如果用戶正在操作來自多個供應(yīng)商的AMR，這些供應(yīng)商的車隊管理系統(tǒng)需要連接。目前，在技術(shù)高度混合的情況下，確?；ゲ僮餍钥赡軙缘粽麄€安裝成本的很大一部分。目前有許多倡議來解決這個問題--盡管大多數(shù)都處于早期階段。例如，德國汽車工業(yè)協(xié)會（VDA）的VDA50/50是一個新的接口，使無人駕駛運輸系統(tǒng)和控制軟件能夠相互獨立地進行通信7。我們可以預(yù)計，編程和通信接口的發(fā)展將大大減少集成的時間和成本，從而通過減少安裝的總成本來刺激機器人的采用。

邊緣/云計算模式

將機器人連接到本地（邊緣）或遠程（云）服務(wù)器，使用戶能夠收集數(shù)據(jù)，并進行分析以提高機器人的性能。來自執(zhí)行相同任務(wù)的機器人群的數(shù)據(jù)可以被匯總和分析，以優(yōu)化機器人程序，然后可以更新并下載到車隊中的每個機器人。分析這些數(shù)據(jù)模式的算法越來越復(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)或物流周期中的機器數(shù)字化也使制造商和物流公司對產(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，可以識別假藥。

與遠程服務(wù)器的連接涉及到大量的數(shù)據(jù)傳輸，必須在兩個方向上極快地執(zhí)行，以實現(xiàn)對機器人程序的實時調(diào)整等。2019年推出的5G網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬來實現(xiàn)大規(guī)模的連接，而且正在進行的5G網(wǎng)絡(luò)的推廣預(yù)計也將會是一個新的趨勢。

正在進行的5G網(wǎng)絡(luò)的推廣預(yù)計將加速聯(lián)網(wǎng)機器人的采用。5G提供了更快的數(shù)據(jù)傳輸，并能全面覆蓋整個工廠或倉庫，這是WiFi所不能保證的。

云連接帶來的遠程操作的可能性也使機器人即服務(wù)（RaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）的商業(yè)模式成為可能，用戶租用機器人和/或軟件，并在租賃費內(nèi)進行維護和更新。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。機器人的數(shù)據(jù)會自動發(fā)送到云端，機器人供應(yīng)商可以預(yù)測何時需要維護或更新。不需要詳細適應(yīng)個人用戶環(huán)境的簡單應(yīng)用也可以從云端下載。一些公司正在采用混合方法，即購買機器人和租賃軟件。

移動性

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。全向機器人在運動中提供更大的靈活性，但往往以更重的輪子為代價。然而，我們可以期待全向輪的發(fā)展，它將更輕，需要更少的能量來刺激未來的應(yīng)用。

KUKA  自主移動機器人

機體材料

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

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

在"軟體機器人"方面也有相當大的發(fā)展，重點是用于機器人執(zhí)行器的柔性材料。機器人的無線充電也有發(fā)展，這減少了對機器人接口部件的磨損，意味著機器人不需要在充電點花費時間。

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

軟體抓手，圖片來源：qbrobotics