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從機械設計、控制系統等方面來看,亞馬遜的倉庫機器人在工業機器人中是什麽水平?

2014-12-08科學

謝邀,多圖預警,這個剛好是本人研究方向之一。

【先說概念】

這個機器人本體,術語叫做AGV,也就是自動導航車(Automated Guided Vehicles),其主要特點是【自動】完成搬運工作。總體來說,是一類【對穩定性和安全性要求較高、對精度和 智能性要求較低的機器人】。

另外一個相關概念是自動化倉儲,一般使用的可能是碼垛機器人,比如這樣:

黃色部份是機器人,藍色是貨架。機器人可自動從貨架中取貨。

【套用領域】就目前來說,AGV是這兩年自動化行業和機器人行業非常火的一個方向,大量的新公司投入到這個行業,而很多傳統的自動化倉儲公司也開展了這些產品的開發,在這兩年這類公司找到我們希望合作的非常多。其主要套用場景包括了:

1.工廠內的自動化搬運,這個是最多的場合,大約感覺是這個樣子

前面比較低矮的部份是AGV,後面是貨架。這種叫【牽引式】,就是拉著貨架走。優勢是有效減少負載需求,缺點是貨架必須定置。

目前使用最多的是汽車行業。

2.碼頭搬運

這個就猛了,可以搬貨櫃。(下面藍色部份是AGV)

3.其他場合,這個就是所謂的市場總量不大的特殊領域了,包括主要包括醫院、圖書館、餐廳等需要來回搬運各種物品的場合,比如:

=============下面開始討論亞馬遜機器人的技術水平================

【外觀】和技術無關,不予評論。

【底盤和驅動】首先反對下之前有答案提到的底盤低問題,AGV在絕大部份場合下,都是在平地執行(包括了亞馬遜的場合),爬坡對AGV來說,並不是常規考慮的問題。

AGV的話,常見驅動方式有兩種, 分別是【舵輪】和【雙輪差速】,先簡單說說亞馬遜沒有用的那種:舵輪

這個不是實際使用AGV,而是一般科研實驗用的平台,實用的舵輪看不清。

藍色部份是舵輪,每個舵輪可以獨立的旋轉的,也就是說,可以變成這樣

這種車的優勢是負載能力大,問題是結構復雜,因為每個輪子需要兩個電機驅動,一個負責讓輪子轉起來,一個負責輪子轉向。(舵輪有更復雜的雙輪版本,可參考飛機前起落架)

舵輪一般用於多載荷的場合,亞馬遜的AGV並沒有那麽強的負載要求,所以【亞馬遜選擇了結構更簡單的差速方案】。

從地面可以清楚的看到,輪子是兩條軌跡,這點表明亞馬遜的方案。

最常見的差速轉向方案就是輪椅,利用左右輪的速度不同,可以原地轉向、直行、走弧線等等。

除了驅動輪外,還需要其他的從動輪平衡,否則車輛就會倒,這應該就是圖片中中央較淺的銘印。

【亞馬遜的機器人在這方面技術實力怎樣?】方案方面,亞馬遜選擇了比較普通的方案,並無創新之處。但由於其搬運的物體重心較高,所以在車輛的起停需要特別註意要緩起緩停,這個雖然技術難度很低,但還是要做的。【該問題可以本科生畢業開題,碩士做這個畢不了業】

【導航定位】導航定位的方法非常多,這裏只說最常見的。最普遍的就是磁條導航。在地面貼一個帶磁性的磁條(感覺和膠帶類似),透過緊貼地面的傳感器可以檢測到下方磁條的位置,然後讓AGV順著磁條移動,就好像這樣:

圖中淺灰色部份是磁條,黑色的應該只是油漆。

以此為基礎,發展了很多類似的方案,比如用紅外反光材料代替詞條、用油漆代替等等,方案類似,就不多說了。

此方案的劣勢非常明顯:車輛只能按照固定軌跡行駛。一般工廠因為器材固定,所以沒有問題,但對亞馬遜倉庫來說,貨架頻繁移動,這個就不適合了。

亞馬遜使用的是【磁釘式】或稱【標簽式】導航,其方案是:在地面均勻的分布大量的磁釘(前面軌跡圖中,可以看到的小的白色正方形的東西,在轉彎的圓弧正中),在AGV每次到達一個磁釘時,就可以清楚的知道自己的位置,因為磁釘位置已知。在 兩個磁釘的中間,則根據輪子的轉速、慣性導航模組(可選)推測自己的位置。因為利用轉速推算的方法有積累誤差(執行越久,誤差越大),所以要使用磁釘修正。另外,就是這個磁釘(標簽)可以給出方向資訊,有助於AGV旋轉時候調整角度,所以前圖中的AGV全部在標簽處旋轉(該技術存在,但不一定在這個上面使用了,只是推測)。

【那麽這個技術是否先進呢?】準確的說,這是一個方案成熟,但近年才開始在實際專案中套用的技術(主要是以前沒需求)。國內很多AGV廠商都已經推出了產品,我顧問的一個企業只用了1個碩士、2-3個本科生、2-3個月就搞定了。 【設計一套這類導航系統,需要做的非常好才可能碩士畢業】

【壁障、防撞】

正面面板中,深黑色有反光的部份是紅外濾光板,可以透過紅外但可見光不能透過。裏面安裝的一般是紅外測距器材(激光掃描器,可以測得前方扇形區域的距離,只有同高度的一條線內可測,對鏡子等無效),這個可以檢測到其他機器人的問題,也可以檢測到意外的物品(比如攝影師),避免碰撞。註意,這裏所謂的避免碰撞,是指有東西就等,而不是有東西繞過去,這個沒有什麽特別的技術。下面黑色的條狀物不是碰撞傳感器,只是防蹭條(汽車側面的那個),貨架比AGV大,裝了碰撞傳感器也沒用。【這方面沒有任何技術問題,只是很本分的實作了】

【那個網絡攝影機是什麽?】雖然沒有任何資料,但從目前的圖片來看,這個網絡攝影機是用來定位貨架中心位置的。就如之前圖片看到的那樣,貨架一般是和AGV配套的,有傳感器可以直接定位。但亞馬遜中的貨架數量巨大,而且款式不同,所以個人推測安裝專用的定位標記並不現實。所以用了一個網絡攝影機,來觀察貨架中心位置,以便定位。【本方案比較獨特,但沒有技術難度】【本科畢設都夠嗆】

【排程、規劃】之前很多人說排程是問題,這裏明確說,這個 排程非常簡單且基本,沒有難度 。為什麽這樣說,因為該場景有一個特點,就是AGV一次運輸,只需要在一個指定點取貨,並送到一個指定點就可以,不存在一趟運貨可以順道多帶幾個點的貨物問題;所有AGV能力相同;執行速度基本穩定。唯一稱得上問題的點,就是可能會遇到卸貨排隊這樣的問題。【碩士畢業內容太少,需要再配點其他內容】

【總結】

該亞馬遜AGV系統,不存在技術層面的創新性設計,與其他機器人的不同主要體現在【特定套用場合下的客製化設計】。但作為一個這麽大的工程來說,其在產品意義上有很多成功,當然,這不是我的專業,需要專業的產品經理來評價。

〔2017.5.21修改〕

時間流逝,會發現自己之前的觀點總會有很多錯誤,這裏不改上文,直接補充上文錯誤的地方。

前一段接觸了這個專案的實際主要參與人員之一,了解了專案的一些套用背景,才恍然大悟,這個專案的難點出在了我認為最簡單的地方上,就是排程。

排程是一個典型的要求高一點,難度成倍滾的東西,亞馬遜的難度在於其吞吐量的超高要求,這就好像立體倉庫,如果是節約空間人力管理成本的立體倉庫,主體技術都在機械電子上,但如果你一個器材每天幾萬的吞吐,那就要求大量的演算法最佳化了。

至於說具體的技術,這裏就不過多討論了,但我要說的是,即使是他們,也沒有完全解決,所以也奉勸那些只弄懂了導航定位運動控制就打算投身這個行業的朋友,慎重。