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類KIVA型AGV在工業制造中的前景探索

發布時間: 2019-07-31 11:07:17 來源:

核心提示: 近年來類KIVA型AGV在快遞電商業得到快速發展,諸多企業通過不斷研發創新,以適應不斷變化發展的市場需要。

文/怡豐機器人 蔡穎杰 顏佳晴


摘要:近年來類KIVA型AGV在快遞電商業得到快速發展,諸多企業通過不斷研發創新,以適應不斷變化發展的市場需要。類KIVA型AGV實質是以二維碼導航為基礎的雙差速AGV,特點是價格便宜、技術成熟;而其缺點也十分明顯,二維碼易損壞、場地布置維護費用高等。但隨著工業制造行業開始引入類KIVA型AGV以提高生產效率,傳統的二維碼導航不能完全滿足市場的需求,因此以激光導航、視覺SLAM導航為基礎的類KIVA型AGV開始不斷涌現并進入市場,這類AGV運動靈活、受限小、維護成本低。本文主要針對當前類KIVA型AGV的導航技術,展望未來類KIVA型AGV在工業制造中的前景。



1行業現狀


2012年亞馬遜以倉儲中心實現自動化、提升物流效率為目的,斥資7.75億美元收購機器人制造商KIVA Systems。KIVA機器人顛覆傳統倉儲物流中心作業的“人找貨、人找貨位”模式,通過控制系統運行資源分配算法,調動機器人實現“貨找人、貨位找人”的模式,實現倉儲物流中心無人化作業,大大提高物流中心的工作效率。在國內,京東、菜鳥、韻達等電商和快遞企業紛紛投入大量資金建立自動化無人倉儲中心,其中京東在上海嘉定建立全球第一個規模化運行并投入實際使用的全流程無人倉,總面積約4萬平方米,承擔華東地區每天20萬單3C電子產品和個人護理產品的物流分揀打包工作。


目前AGV不僅在電商快遞行業發展迅速,在其他行業對于AGV的需求也在不斷增加。據中國移動機器人(AGV)產業聯盟、新戰略機器人產業研究所最新數據顯示,2018年倉儲分揀AGV(包含了工廠倉儲分揀)近16000臺,占整體市場的54%。從應用行業來看,倉儲類機器人應用占比最高的仍然是電商快遞行業,其次為快消品的倉儲物流。當然可以看到,在2018年一些輕量制造業也開始推廣應用類KIVA型AGV,特別是電子制造、汽配生產等行業開始投入使用,其需求量也在不斷增加。類KIVA倉儲機器人開始逐漸往場內物流搬運方向發展。



圖:怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人應用現場


2應用場景分析


電子制造、汽配等制造業與電商快遞行業的AGV運用場景存在著明顯差異。快遞電商行業AGV主要是以實現“貨物分揀”和“貨架到人”的功能。其運行場地固定、變化小,站臺點集中,人機混用場景較少,不易受外部環境干擾,且對于AGV無多樣化運行的要求。電子制造、汽配等制造業AGV主要是以實現“場內搬運”的功能。其場地環境大、變化大,環境復雜,人機混用的場景較多,易受到外部人為因素的干擾。

 

因此將傳統快遞電商模式中的類KIVA型AGV應用于制造業,不能滿足制造業的需求,存在一定局限性。(1)場地環境大,需要粘貼大量二維碼,場地布置時間長;(2)存在較多人機混用場景,二維碼容易受到磨損和破壞,需要大量維護時間;(3)場地環境變化大,當增加或減少站臺時,需增加或減少二維碼,更改周期長;(4)某些行業中,不允許在地面粘貼二維碼,限制傳統二維碼導航AGV的應用。以激光導航、視覺SLAM導航為基礎的類KIVA型AGV不受地面二維碼限制,可以自由在環境中運行,且能解決二維碼導航AGV在制造業搬運中所產生局限性。



 圖:怡豐機器人研發的自然導航AGV在上汽大眾某廠區應用

如圖所示,是深圳怡豐機器人所設計研發的自然導航AGV,應用于上汽大眾某廠區。上汽大眾某廠區,是一個負責生產汽車電池的生產基地。該廠區經常出現人機混用場景,并且對地面整潔度要求高,因此傳統二維碼導航AGV應用就受到了限制。而怡豐機器人所設計研發的這款AGV,只需要靠場景中的物體即可實現AGV定位,無須放置標志性物體,維護成本低、可靠性高、廠區環境整潔,解決了二維碼導航所遇到的問題,該項目也成為了上汽大眾的標志性項目。


除此之外,怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人(二維碼導航)還在國家電網、3C電子、生物制藥、汽車配件等領域有了廣泛應用,約有30余個落地項目,應用場景更加廣泛,主要解決自動化生產線對接,實現智能倉儲物流搬運。



 圖:怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人應用現場


        3導航技術分析


3.1二維碼導航介紹


類KIVA機器人實質是以二維碼導航為基礎的雙差速AGV。二維碼導航是間歇式導航的典型代表,二維碼導航需要在地面階段性鋪設二維碼,通過安裝在AGV上的二維碼掃描儀去識別二維碼中的信息,實現AGV定位,并且會對行走中的誤差進行矯正。二維碼導航AGV技術成熟,有許多優勢,但在實際應用中仍存在許多改進的空間,總結歸納出以下幾個方面:


二維碼導航優勢,(1)二維碼導航定位精確。二維碼導航通過粘貼在地面上方的二維碼實現定位,因此定位精度較高;(2)二維碼導航對于聲光的干擾強;(3)二維碼導航穩定性高。


二維碼導航不足,(1)布置場地時需要在地面上鋪設大量二維碼,而相鄰二維碼之間的距離、角度需做精確計算,因此場地布置的成本高,時間長、難度大;(2)鋪設在地面上方的二維碼會受到其他物體的碾壓,對二維碼造成損壞;(3)由于二維碼導航方式自身的局限性,因此二維碼導航AGV只能運行在貼有二維碼的區域中,行駛區域有限;(4)二維碼導航AGV運行方式單一,只能實現前進、后退和自旋的動作。

 


圖:怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人應用現場


3.2激光和視覺導航介紹


 1)概念介紹


 激光導航和自然導航都是應用激光 SLAM 算法的導航方式,本質上說自然導航亦屬于激光導航的范疇(都是通過激光頭掃描來實現定位導航的,區別為激光導航是以激光反射板為坐標構建的參照物;自然導航是一種不需要對基礎設施進行任何調整,無需地面標記的導航技術,是基于現有環境實現的導航)。

視覺SLAM導航通過圖像采集設備收集環境信息,并利用計算機視覺技術對收集到的圖像進行處理以獲得圖像中的環境信息,并應用視覺SLAM算法實現AGV的定位與導航。


2)導航模式對比


激光導航是一種成熟且穩定的技術。激光導航AGV只需要在墻面布置好反光板,激光導航與二維碼導航相比,激光導航AGV由于不受地面二維碼限制,其運動線路更加靈活多變,支持前進、后退和自旋,S 曲線、四次方曲線和樣條曲線的運動軌跡,能使AGV在復雜工況下滿足多變的路徑規劃需求;激光導航所布置的反光柱不需要對位置和角度的精確計算,且反光柱布置在墻邊不易損壞,因此激光導航的場地布置和后期維護成本遠遠低于二維碼導航。


        視覺SLAM導航不依賴于二維碼和反光柱,是未來導航技術的主流方向。此導航方式只需要收集場景中的信息便可以進行實時定位。視覺SLAM導航與二維碼導航相比,視覺SLAM導航擁有更加豐富的運動方式,且沒有場地布置和場地維護的費用,使用成本遠遠低于二維碼導航。表3-1是對二維碼導航、激光導航、視覺SLAM導航的對比總結。




4總結


通過以上分析可以得出,激光導航、視覺SLAM導航AGV相較于二維碼導航AGV運行更加靈活、維護成本更低、調度范圍更廣、定位精度更高。在制造業中,復雜的運行環境、嚴苛的環境要求,都限制了二維碼導航AGV的應用,而激光導航、視覺SLAM導航AGV以其鮮明的優勢,能夠更好滿足其需要。


激光導航和視覺SLAM導航是在傳統導航方式的基礎上衍生并不斷進化的產物。兩種導航方式擁有更加強大的計算能力和更加豐富的拓展能力,更智能的調度規劃,更靈活的運動控制和更高效的行駛速度,使得其在未來物流發展中扮演更加重要的作用。


隨著行業對工作環境、無人化、智能化、可靠性等要求不斷提高,激光導航和視覺SLAM導航漸漸成為未來行業的發展趨勢,在未來,隨著算法精度的改進和提高,激光導航和視覺SLAM導航將逐步取代傳統導航方式。



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