文/怡豐機(jī)器人 蔡穎杰 顏佳晴
摘要：近年來(lái)類KIVA型AGV在快遞電商業(yè)得到快速發(fā)展，諸多企業(yè)通過(guò)不斷研發(fā)創(chuàng)新，以適應(yīng)不斷變化發(fā)展的市場(chǎng)需要。類KIVA型AGV實(shí)質(zhì)是以二維碼導(dǎo)航為基礎(chǔ)的雙差速AGV，特點(diǎn)是價(jià)格便宜、技術(shù)成熟；而其缺點(diǎn)也十分明顯，二維碼易損壞、場(chǎng)地布置維護(hù)費(fèi)用高等。但隨著工業(yè)制造行業(yè)開始引入類KIVA型AGV以提高生產(chǎn)效率，傳統(tǒng)的二維碼導(dǎo)航不能完全滿足市場(chǎng)的需求，因此以激光導(dǎo)航、視覺(jué)SLAM導(dǎo)航為基礎(chǔ)的類KIVA型AGV開始不斷涌現(xiàn)并進(jìn)入市場(chǎng)，這類AGV運(yùn)動(dòng)靈活、受限小、維護(hù)成本低。本文主要針對(duì)當(dāng)前類KIVA型AGV的導(dǎo)航技術(shù)，展望未來(lái)類KIVA型AGV在工業(yè)制造中的前景。
1行業(yè)現(xiàn)狀
2012年亞馬遜以倉(cāng)儲(chǔ)中心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、提升物流效率為目的，斥資7.75億美元收購(gòu)機(jī)器人制造商KIVA Systems。KIVA機(jī)器人顛覆傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)物流中心作業(yè)的“人找貨、人找貨位”模式，通過(guò)控制系統(tǒng)運(yùn)行資源分配算法，調(diào)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“貨找人、貨位找人”的模式，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流中心無(wú)人化作業(yè)，大大提高物流中心的工作效率。在國(guó)內(nèi)，京東、菜鳥、韻達(dá)等電商和快遞企業(yè)紛紛投入大量資金建立自動(dòng)化無(wú)人倉(cāng)儲(chǔ)中心，其中京東在上海嘉定建立全球第一個(gè)規(guī)模化運(yùn)行并投入實(shí)際使用的全流程無(wú)人倉(cāng)，總面積約4萬(wàn)平方米，承擔(dān)華東地區(qū)每天20萬(wàn)單3C電子產(chǎn)品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品的物流分揀打包工作。
目前AGV不僅在電商快遞行業(yè)發(fā)展迅速，在其他行業(yè)對(duì)于AGV的需求也在不斷增加。據(jù)中國(guó)移動(dòng)機(jī)器人（AGV）產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、新戰(zhàn)略機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所最新數(shù)據(jù)顯示，2018年倉(cāng)儲(chǔ)分揀AGV（包含了工廠倉(cāng)儲(chǔ)分揀）近16000臺(tái)，占整體市場(chǎng)的54%。從應(yīng)用行業(yè)來(lái)看，倉(cāng)儲(chǔ)類機(jī)器人應(yīng)用占比最高的仍然是電商快遞行業(yè)，其次為快消品的倉(cāng)儲(chǔ)物流。當(dāng)然可以看到，在2018年一些輕量制造業(yè)也開始推廣應(yīng)用類KIVA型AGV，特別是電子制造、汽配生產(chǎn)等行業(yè)開始投入使用，其需求量也在不斷增加。類KIVA倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人開始逐漸往場(chǎng)內(nèi)物流搬運(yùn)方向發(fā)展。
圖：怡豐機(jī)器人的類KIVA倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)
2應(yīng)用場(chǎng)景分析
電子制造、汽配等制造業(yè)與電商快遞行業(yè)的AGV運(yùn)用場(chǎng)景存在著明顯差異。快遞電商行業(yè)AGV主要是以實(shí)現(xiàn)“貨物分揀”和“貨架到人”的功能。其運(yùn)行場(chǎng)地固定、變化小，站臺(tái)點(diǎn)集中，人機(jī)混用場(chǎng)景較少，不易受外部環(huán)境干擾，且對(duì)于AGV無(wú)多樣化運(yùn)行的要求。電子制造、汽配等制造業(yè)AGV主要是以實(shí)現(xiàn)“場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)”的功能。其場(chǎng)地環(huán)境大、變化大，環(huán)境復(fù)雜，人機(jī)混用的場(chǎng)景較多，易受到外部人為因素的干擾。
因此將傳統(tǒng)快遞電商模式中的類KIVA型AGV應(yīng)用于制造業(yè)，不能滿足制造業(yè)的需求，存在一定局限性。（1）場(chǎng)地環(huán)境大，需要粘貼大量二維碼，場(chǎng)地布置時(shí)間長(zhǎng)；（2）存在較多人機(jī)混用場(chǎng)景，二維碼容易受到磨損和破壞，需要大量維護(hù)時(shí)間；（3）場(chǎng)地環(huán)境變化大，當(dāng)增加或減少站臺(tái)時(shí)，需增加或減少二維碼，更改周期長(zhǎng)；（4）某些行業(yè)中，不允許在地面粘貼二維碼，限制傳統(tǒng)二維碼導(dǎo)航AGV的應(yīng)用。以激光導(dǎo)航、視覺(jué)SLAM導(dǎo)航為基礎(chǔ)的類KIVA型AGV不受地面二維碼限制，可以自由在環(huán)境中運(yùn)行，且能解決二維碼導(dǎo)航AGV在制造業(yè)搬運(yùn)中所產(chǎn)生局限性。
圖：怡豐機(jī)器人研發(fā)的自然導(dǎo)航AGV在上汽大眾某廠區(qū)應(yīng)用
如圖所示，是深圳怡豐機(jī)器人所設(shè)計(jì)研發(fā)的自然導(dǎo)航AGV，應(yīng)用于上汽大眾某廠區(qū)。上汽大眾某廠區(qū)，是一個(gè)負(fù)責(zé)生產(chǎn)汽車電池的生產(chǎn)基地。該廠區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)人機(jī)混用場(chǎng)景，并且對(duì)地面整潔度要求高，因此傳統(tǒng)二維碼導(dǎo)航AGV應(yīng)用就受到了限制。而怡豐機(jī)器人所設(shè)計(jì)研發(fā)的這款A(yù)GV，只需要靠場(chǎng)景中的物體即可實(shí)現(xiàn)AGV定位，無(wú)須放置標(biāo)志性物體，維護(hù)成本低、可靠性高、廠區(qū)環(huán)境整潔，解決了二維碼導(dǎo)航所遇到的問(wèn)題，該項(xiàng)目也成為了上汽大眾的標(biāo)志性項(xiàng)目。
除此之外，怡豐機(jī)器人的類KIVA倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人（二維碼導(dǎo)航）還在國(guó)家電網(wǎng)、3C電子、生物制藥、汽車配件等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，約有30余個(gè)落地項(xiàng)目，應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛，主要解決自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)接，實(shí)現(xiàn)智能倉(cāng)儲(chǔ)物流搬運(yùn)。
圖：怡豐機(jī)器人的類KIVA倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)
3導(dǎo)航技術(shù)分析
3.1二維碼導(dǎo)航介紹
類KIVA機(jī)器人實(shí)質(zhì)是以二維碼導(dǎo)航為基礎(chǔ)的雙差速AGV。二維碼導(dǎo)航是間歇式導(dǎo)航的典型代表，二維碼導(dǎo)航需要在地面階段性鋪設(shè)二維碼，通過(guò)安裝在AGV上的二維碼掃描儀去識(shí)別二維碼中的信息，實(shí)現(xiàn)AGV定位，并且會(huì)對(duì)行走中的誤差進(jìn)行矯正。二維碼導(dǎo)航AGV技術(shù)成熟，有許多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多改進(jìn)的空間，總結(jié)歸納出以下幾個(gè)方面：
二維碼導(dǎo)航優(yōu)勢(shì)，（1）二維碼導(dǎo)航定位精確。二維碼導(dǎo)航通過(guò)粘貼在地面上方的二維碼實(shí)現(xiàn)定位，因此定位精度較高；（2）二維碼導(dǎo)航對(duì)于聲光的干擾強(qiáng)；（3）二維碼導(dǎo)航穩(wěn)定性高。
二維碼導(dǎo)航不足，（1）布置場(chǎng)地時(shí)需要在地面上鋪設(shè)大量二維碼，而相鄰二維碼之間的距離、角度需做精確計(jì)算，因此場(chǎng)地布置的成本高，時(shí)間長(zhǎng)、難度大；（2）鋪設(shè)在地面上方的二維碼會(huì)受到其他物體的碾壓，對(duì)二維碼造成損壞；（3）由于二維碼導(dǎo)航方式自身的局限性，因此二維碼導(dǎo)航AGV只能運(yùn)行在貼有二維碼的區(qū)域中，行駛區(qū)域有限；（4）二維碼導(dǎo)航AGV運(yùn)行方式單一，只能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和自旋的動(dòng)作。
圖：怡豐機(jī)器人的類KIVA倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)
3.2激光和視覺(jué)導(dǎo)航介紹
1）概念介紹
激光導(dǎo)航和自然導(dǎo)航都是應(yīng)用激光 SLAM 算法的導(dǎo)航方式，本質(zhì)上說(shuō)自然導(dǎo)航亦屬于激光導(dǎo)航的范疇（都是通過(guò)激光頭掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航的，區(qū)別為激光導(dǎo)航是以激光反射板為坐標(biāo)構(gòu)建的參照物；自然導(dǎo)航是一種不需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行任何調(diào)整，無(wú)需地面標(biāo)記的導(dǎo)航技術(shù)，是基于現(xiàn)有環(huán)境實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航）。
視覺(jué)SLAM導(dǎo)航通過(guò)圖像采集設(shè)備收集環(huán)境信息，并利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)收集到的圖像進(jìn)行處理以獲得圖像中的環(huán)境信息，并應(yīng)用視覺(jué)SLAM算法實(shí)現(xiàn)AGV的定位與導(dǎo)航。
2）導(dǎo)航模式對(duì)比
激光導(dǎo)航是一種成熟且穩(wěn)定的技術(shù)。激光導(dǎo)航AGV只需要在墻面布置好反光板，激光導(dǎo)航與二維碼導(dǎo)航相比，激光導(dǎo)航AGV由于不受地面二維碼限制，其運(yùn)動(dòng)線路更加靈活多變，支持前進(jìn)、后退和自旋，S 曲線、四次方曲線和樣條曲線的運(yùn)動(dòng)軌跡，能使AGV在復(fù)雜工況下滿足多變的路徑規(guī)劃需求；激光導(dǎo)航所布置的反光柱不需要對(duì)位置和角度的精確計(jì)算，且反光柱布置在墻邊不易損壞，因此激光導(dǎo)航的場(chǎng)地布置和后期維護(hù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于二維碼導(dǎo)航。
視覺(jué)SLAM導(dǎo)航不依賴于二維碼和反光柱，是未來(lái)導(dǎo)航技術(shù)的主流方向。此導(dǎo)航方式只需要收集場(chǎng)景中的信息便可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。視覺(jué)SLAM導(dǎo)航與二維碼導(dǎo)航相比，視覺(jué)SLAM導(dǎo)航擁有更加豐富的運(yùn)動(dòng)方式，且沒(méi)有場(chǎng)地布置和場(chǎng)地維護(hù)的費(fèi)用，使用成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于二維碼導(dǎo)航。表3-1是對(duì)二維碼導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺(jué)SLAM導(dǎo)航的對(duì)比總結(jié)。
4總結(jié)
通過(guò)以上分析可以得出，激光導(dǎo)航、視覺(jué)SLAM導(dǎo)航AGV相較于二維碼導(dǎo)航AGV運(yùn)行更加靈活、維護(hù)成本更低、調(diào)度范圍更廣、定位精度更高。在制造業(yè)中，復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境、嚴(yán)苛的環(huán)境要求，都限制了二維碼導(dǎo)航AGV的應(yīng)用，而激光導(dǎo)航、視覺(jué)SLAM導(dǎo)航AGV以其鮮明的優(yōu)勢(shì)，能夠更好滿足其需要。
激光導(dǎo)航和視覺(jué)SLAM導(dǎo)航是在傳統(tǒng)導(dǎo)航方式的基礎(chǔ)上衍生并不斷進(jìn)化的產(chǎn)物。兩種導(dǎo)航方式擁有更加強(qiáng)大的計(jì)算能力和更加豐富的拓展能力，更智能的調(diào)度規(guī)劃，更靈活的運(yùn)動(dòng)控制和更高效的行駛速度，使得其在未來(lái)物流發(fā)展中扮演更加重要的作用。
隨著行業(yè)對(duì)工作環(huán)境、無(wú)人化、智能化、可靠性等要求不斷提高，激光導(dǎo)航和視覺(jué)SLAM導(dǎo)航漸漸成為未來(lái)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)，隨著算法精度的改進(jìn)和提高，激光導(dǎo)航和視覺(jué)SLAM導(dǎo)航將逐步取代傳統(tǒng)導(dǎo)航方式。
