物流中心是几乎所有需要运输、储存或加工实物商品行业供应链之重要组成部分。当下在全球范围内，这些物流中心完成订单数量以及材料处理类型和方法都在不断增加，自主系统越来越多得到採用，以便更安全有效地处理物流中心不断增加的任务数量和复杂度。这些趋势正在进一步推动自主移动机器人（AMR）发展，并被视为未来物流中心营运之重要组成部分，可提高工人安全性、灵活性、效率和生产力。


在此，本文讨论着重于介绍支援最新一代AMR的技术，以及该技术将会如何影响物流供应链。


什么是 AMR，它们在哪使用？

AMR与它们的前身自主机器人（AR）或自主导引车（AGV）不同，AMR是独立自主移动，而不是安装在固定位置，或局限于有限任务固定轨道上，例如机器人装配臂。 AMR移动性使这些机器人能够在工业环境中提供更广泛的服务和更大的灵活性，因为通常不需要操作员或预先定义路径。正是由于这种高灵活性，使 AMR 现在广泛用于全球医疗保健、农业、仓储和制造等多个行业。


现代 AMR 中设计的感测器和人工智慧/机器学习（AI/ML）功能使这些机器能够真正在无人指导情况下运作，甚至可以使用同步定位和映射（SLAM）在具有意外障碍物未知环境中导航。此外，这些机器中，有许多採用坚固设计，有助于它们在对人类操作员来说非常危险，或难于进入并完成所需任务的环境中使用。


AMR剖析

AMR 要提供这些功能，需要一套板载 AI/ML 资源、马达控制/驱动技术、电池/充电系统、感测器和无缐通讯能力。必须仔细设计和实施这些技术各个层面，以实现更高效率、安全性和生产力。


大脑：人工智慧/机器学习系统

AI/ML 系统涉及各种硬体解决方案的广泛开发和潜在使用，其中包括微处理器单元（MCU）、数位讯号处理器（DSP）、现场可程式化逻辑闸阵列（FPGA）和图形处理单元（GPU）等。设计和实施基本 AI/ML 系统需要一套完全不同工具，然后才能将 AI/ML 技术视为有效/安全和部署。通常这些硬体解决方案中多个可用于有效地处理感测器资料、通讯和操作机器人移动所需控制系统。


通常，系统所需回应时间、视觉系统帧率和任务复杂性决定了 AMR 在执行特定级別任务时的资源需求。另一个因素是开发时间和拥有资源。AI/ML 系统方面都可以透过使用预先打包套件或硬体及软体包来加速实施，以应对3D 视觉、运动控制或安全性等各种 AMR 挑战。


力量：马达控制和马达技术

要使 AMR 具有移动性，需要相应驱动技术、能量储存和能量传输/充电系统。这些系统很可能透过马达、电池储存和电能充电实现，类似于电动车使用的系统。对于更高效和更可靠 AMR 马达系统，最常见驱动技术是採用无刷直流（BLDC）马达和用于操作功能的步进马达，这类似于电脑数值控制（CNC）铣床等电动工具和电子设备中使用技术，这些系统需要马达驱动器和复杂控制系统，以实现运动和机械手控制可靠运作。


能量：电池和充电技术

尽管系留操作（tethered operation）对于跟踪或固定机器人系统可行，但 AMR 通常需要自供电，这需要车载能量储存，还可能涉及与充电器对接充电系统。锂离子（Li-ion）电池化学成分是最常见高密度储能解决方案，可採用直流快速充电（DCFC） 将电网能量传输到 AMR 并最大限度地减少停机时间。锂离子电池需要专门充电、放电、平衡和其他电池安全/健康电子设备。虽然电子设备充电可能不一定包含在 AMR 内部，但仍需要安装交流（AC）到直流 （AC/DC）反相器（inverter）和 DC/DC 电源转换器，以便AMR能够自行对接和充电，从而最大限度减少往返充电基础设施所浪费精力和时间。


眼睛：感测器、摄影镜头、3D 视觉

为了让 AMR 避开障碍物并在操作区发生环境变化情况下成功改道，AMR 需要一套感测器来通知周围环境 AI/ML 演算法。视觉系统是 AMR 成功导航和确保安全，避免损坏自身、周围财产或货物所必需功能，这些感测器系统可以是传统可见光摄影镜头、红外（IR）相机、超音波测距感测器、雷射雷达 （LiDAR）、红外接近感测器，甚至是 3D 视觉系统。感测器资料解析度、拮取时间和感测器数量决定了 AI/ML 系统需要处理资料产出量。为了获得最佳性能和安全性，通常需要在几毫秒内完成这些处理。


耳朵和嘴：无缐通讯系统

如果需要部署多个 AMR，无缐连接对于 AMR 与设施系统以及彼此之间通讯至关重要。用于实现这些目标的常见无缐技术包括 Wi-Fi、4G LTE、BLUETOOTH 和当下的 5G。所使用的无缐通讯系统类型取决于 AMR 与设施或其他 AMR 之间所需资料量和通讯类型，如果只是偶尔从集中位置进行软体更新，4G LTE 可能已经足够。如果需要传输大量资料但不一定是时间关键型，那么 Wi-Fi 可能是比较合适。新兴 5G服务能够实现大规模机器类通讯（mMTC）和超可靠低延迟通讯（URLLC），如果需要传输时间关键型资料或需要确定性，5G可能是最可行无缐解决方案。


结论

AMR 是许多物流中心和制造设施之未来，在这些任务中雇用人工作业员可能会成本太高或不安全。 但AMR 也是拥有大量电子分系统的复杂机器，必须对其进行认真方案选择、设计、程式和整合，以便实现可靠、安全和高效的 AMR。


（本文作者Jean-Jacques DeLisle为贸泽电子特约作者）