多個機器人在物料搬運應用中協(xié)同工作。這是一個可以通過工作單元優(yōu)化來加速的潛在應用。
(作者:Dan Sorin,系Realtime Robotics(美國馬薩諸塞州波士頓)創(chuàng)始人兼首席架構師)
在工業(yè)環(huán)境中部署機器人時,性能是首要目標之一。在工業(yè)機器人工作單元中,性能通常用周期時間來衡量:完成一組任務所需的時間。典型的任務包括噴漆、焊接和檢查。無論哪種任務,目標都是盡快完成,以便工作單元可以開始下一組任務的工作。特定單元的周期過長會導致該單元成為裝配線上的瓶頸。
提高性能的一種方法是在同一工作單元中使用多個機器人。在多機器人工作單元中,任務可由機器人分擔,期望機器人能同時完成工作,從而縮短周期時間。從理論上講,更多的機器人意味著更高的性能,但正如在廚房中增加廚師一樣,實際結果并不總是符合預期。
多機器人工作單元性能的挑戰(zhàn)
最近,一位客戶在工作單元中增加了第二個機器人后找到我們,說他們只將周期時間縮短了 10%。雖然我們不能期望獲得完美的并行性(從 1 個機器人增加到 N 個機器人,周期時間是之前的 1/N),但我們希望在工作單元中增加機器人能帶來最大的效益。
為什么多機器人工作單元難以實現(xiàn)更好的性能?想象一下,您正在設計一個有四個機器人的工作單元,每個周期需要完成 50 個任務。如果我們認為設計既是為機器人分配任務,也是為每個機器人安排任務的順序,那么就有大量可能的設計需要考慮。
首先,有大量可能的機器人任務分配。也許這種可能性會受到一些限制,因為有些機器人無法執(zhí)行某些任務,要么是因為它們無法到達,要么是因為機器人是異構的,某些類型的機器人只能執(zhí)行任務的子集。不過,可能分配的任務數(shù)量通常非常多,在本例中為 450 個(比 1030 個多一點)。然后,一旦分配了這些任務,機器人就可以按照大量不同的順序執(zhí)行任務。在我們的例子中,至少還有 1034 種可能的組合(假設任務平均分配為 12!4,如果任務分配不均,情況會更糟),因此我們最終需要考慮超過 1064 種可能的設計。即使我們可以每納秒測試一個設計,所需的時間也比宇宙的年齡還要長。顯然,設計的數(shù)量遠遠大于可以窮盡搜索的數(shù)量。
是什么將眾多可能的設計區(qū)分開來呢?在好的設計中,每個機器人每個周期花費的時間大致相同;我們要避免一些機器人閑置,而另一些機器人仍在工作。同樣,在一個好的設計中,每個機器人都能移動,而無需花費大量時間等待其他機器人讓路,或采取非最佳路徑以避開其他機器人。設計的目標是實現(xiàn)機器人的高性能編排。
在如此廣闊的設計空間中,好的設計和差的設計之間的性能差異可能很大。即使忽略明顯的不良設計,例如,將幾乎所有任務分配給一個機器人,或對任務進行排序,使機器人的總運動量最大--看似合理的設計之間仍然存在顯著的性能差異。
Realtime Robotics 的工程師正在研究多機器人緊固和檢查單元
我們的團隊開發(fā)了優(yōu)化即服務 (OaaS),利用專有算法找到高性能的設計方案,否則工程師團隊需要花費數(shù)月時間才能發(fā)現(xiàn)這些方案。與經驗豐富的工程師費力開發(fā)的設計相比,使用我們的 OaaS(稍后討論),我們的速度提高了 5%-20%。這一結果說明,設計既非常困難,又非常重要。
目前如何進行多機器人工作單元設計
工程師如何從如此龐大的設計空間中選擇設計方案?從根本上說,搜索任何類型的巨大空間的唯一方法就是從其中抽取樣本(選擇一個設計),評估該設計(評估其性能),并根據(jù)對該樣本和之前抽取的任何樣本的評估結果,決定下一個樣本的位置。這種設計循環(huán)一直持續(xù)到獲得性能足夠好的設計,或者確定付出更多努力也不可能獲得更好的設計為止。
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