類KIVA型AGV在工業(yè)制造中的前景探索

文/蔡穎杰 顏佳晴

2012年亞馬遜以倉儲中心實現(xiàn)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(tǒng)倉儲物流中心作業(yè)的“人找貨、人找貨位”模式，通過控制系統(tǒng)運行資源分配算法，調(diào)動機器人實現(xiàn)“貨找人、貨位找人”的模式，實現(xiàn)倉儲物流中心無人化作業(yè)，大大提高物流中心的工作效率。

在國內(nèi)，京東、菜鳥、韻達等電商和快遞企業(yè)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(guī)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(dān)華東地區(qū)每天20萬單3C電子產(chǎn)品和個人護理產(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，其他行業(yè)對于AGV的需求也在不斷增加。據(jù)中國移動機器人（AGV）產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、新戰(zhàn)略機器人產(chǎn)業(yè)研究所最新數(shù)據(jù)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(yīng)用行業(yè)來看，倉儲類機器人應(yīng)用占比最高的仍然是電商快遞行業(yè)，其次為快消品的倉儲物流。當(dāng)然可以看到，在2018年一些制造業(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倉儲機器人開始逐漸往場內(nèi)物流搬運方向發(fā)展。

圖1 怡豐機器人研發(fā)的自然導(dǎo)航AGV在上汽大眾某廠區(qū)應(yīng)用

一、應(yīng)用場景分析

電子制造、汽配等制造業(yè)，與電商快遞行業(yè)的AGV運用場景存在著明顯差異。快遞電商行業(yè)AGV主要是以實現(xiàn)“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(huán)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(yè)AGV主要是以實現(xiàn)“場內(nèi)搬運”的功能，其場地環(huán)境大、變化大，環(huán)境復(fù)雜，人機混用的場景較多，易受到外部人為因素的干擾。

表1 二維碼導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺SLAM導(dǎo)航的對比

目前看來，傳統(tǒng)快遞電商模式中的類KIVA型AGV應(yīng)用于制造業(yè)，無法滿足制造業(yè)的需求，并存在一定局限性：1.場地大，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.環(huán)境變化大，當(dāng)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(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SLAM導(dǎo)航等為基礎(chǔ)的類KIVA型AGV不受地面二維碼限制，可以自由在環(huán)境中運行，且能解決二維碼導(dǎo)航AGV在制造業(yè)搬運中所產(chǎn)生的局限性。

圖1是深圳怡豐機器人所設(shè)計研發(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)，是一個負責(zé)生產(chǎn)汽車電池的生產(chǎn)基地。該廠區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)人機混用場景，并且對地面整潔度要求高，因此傳統(tǒng)二維碼導(dǎo)航AGV應(yīng)用就受到了限制。而怡豐機器人所設(shè)計研發(fā)的這款A(yù)GV，只需要靠場景中的物體即可實現(xiàn)AGV定位，無需放置標(biāo)志性物體，維護成本低、可靠性高、廠區(qū)環(huán)境整潔，解決了二維碼導(dǎo)航所遇到的問題，該項目也成為了上汽大眾的標(biāo)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(dǎo)航）還應(yīng)用在國家電網(wǎng)、3C電子、生物制藥、汽車配件等領(lǐng)域，約有30余個落地項目，應(yīng)用場景更加廣泛，主要解決自動化生產(chǎn)線對接，實現(xiàn)智能倉儲物流搬運。怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人應(yīng)用現(xiàn)場，如圖2。

二、導(dǎo)航技術(shù)分析

1.二維碼導(dǎo)航的介紹

類KIVA機器人實質(zhì)是以二維碼導(dǎo)航為基礎(chǔ)的差速AGV。二維碼導(dǎo)航是間歇式導(dǎo)航的典型代表，需要在地面階段性鋪設(shè)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(xiàn)AGV定位，并且會對行走中的誤差進行矯正。二維碼導(dǎo)航AGV技術(shù)成熟，有許多優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍存在許多改進的空間，大致有以下優(yōu)勢和不足：

二維碼導(dǎo)航的優(yōu)勢：（1）二維碼導(dǎo)航定位精確。二維碼導(dǎo)航通過粘貼在地面上方的二維碼實現(xiàn)定位，因此定位精度較高；（2）二維碼導(dǎo)航對于聲光的干擾強；（3）二維碼導(dǎo)航的穩(wěn)定性高。

二維碼導(dǎo)航不足：（1）布置場地時需要在地面上鋪設(shè)大量二維碼，而相鄰二維碼之間的距離、角度需做精確計算，因此場地布置的成本高、時間長、難度大；（2）鋪設(shè)在地面上方的二維碼當(dāng)受到其他物體的碾壓，會對二維碼造成損壞；（3）因二維碼導(dǎo)航方式自身的局限性，二維碼導(dǎo)航AGV只能運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運行方式單一，只能實現(xiàn)前進、后退和自旋的動作。怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人應(yīng)用現(xiàn)場，如圖3。

2.激光導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航的簡介

（1）相關(guān)概念

圖2 怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人應(yīng)用現(xiàn)場

激光導(dǎo)航和自然導(dǎo)航都是應(yīng)用激光的導(dǎo)航方式，本質(zhì)上自然導(dǎo)航亦屬于激光導(dǎo)航的范疇（都是通過激光頭掃描來實現(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)航是一種不需要對基礎(chǔ)設(shè)施進行任何調(diào)整，無需地面標(biāo)記的導(dǎo)航技術(shù)，是基于現(xiàn)有環(huán)境實現(xiàn)的導(dǎo)航）。

視覺SLAM導(dǎo)航，是通過圖像采集設(shè)備收集環(huán)境信息，并利用計算機視覺技術(shù)對收集到的圖像進行處理以獲得圖像中的環(huán)境信息，并應(yīng)用視覺SLAM算法實現(xiàn)AGV的定位與導(dǎo)航。

（2）導(dǎo)航模式的對比

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，其運動線路更加靈活多變，支持前進、后退和自旋，以及S 曲線、四次方曲線和樣條曲線的運動軌跡，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)航所布置的反光板不需要對位置和角度進行精確計算，且反光板布置在墻邊不易損壞，因此激光導(dǎo)航的場地布置和后期維護成本遠遠低于二維碼導(dǎo)航。

視覺SLAM導(dǎo)航不依賴于二維碼和反光板，是未來導(dǎo)航技術(shù)的主流方向。 此導(dǎo)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(dǎo)航與二維碼導(dǎo)航相比，視覺SLAM導(dǎo)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(dǎo)航。表1是對二維碼導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺SLAM導(dǎo)航的對比總結(jié)。

三、總結(jié)

通過以上分析可以得出，激光導(dǎo)航和視覺SLAM導(dǎo)航AGV，相比二維碼導(dǎo)航AGV運行更加靈活、維護成本更低、調(diào)度范圍更廣、定位精度更高。在制造業(yè)中，復(fù)雜的運行環(huán)境、嚴苛的環(huán)境要求，都限制了二維碼導(dǎo)航AGV的應(yīng)用，而激光導(dǎo)航和視覺SLAM導(dǎo)航AGV以其鮮明的優(yōu)勢，能夠更好滿足其需要。

激光導(dǎo)航和視覺SLAM導(dǎo)航是在傳統(tǒng)導(dǎo)航方式的基礎(chǔ)上衍生并不斷進化的產(chǎn)物。兩種導(dǎo)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(diào)度規(guī)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(fā)展中扮演更加重要的作用。

隨著行業(yè)對工作環(huán)境、無人化、智能化、可靠性等要求不斷提高，激光導(dǎo)航和視覺SLAM導(dǎo)航將逐漸成為未來行業(yè)的發(fā)展趨勢。在未來，隨著算法精度的改進和提高，激光導(dǎo)航和視覺SLAM導(dǎo)航將有可能逐步取代傳統(tǒng)導(dǎo)航方式。