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杨文华:谈谈AGV与AMR

发布时间: 2021-12-08 09:12:24 来源:移动机器人产业联盟

核心提示:

理性认识AGVAMR

AGV(Automated Guided Vehicle)以工业移动机器人的身份在国内应用发展超过25年了,从最初的引进技术,到现在的自主研发、行业壮大,甚至技术超越,经历了“引进、消化、吸收、再创新”的全过程。近几年,随着国家“制造业高质量发展”和“智能制造”战略的落实,AGV从几乎不为人知的小众产品成长为了具有一定规模的产业,各行业对AGV都呈现出了旺盛的需求。而更为欣喜的是,新概念、新技术、新人才、新实体不断涌现,行业规范、行业细分也逐渐走上了正轨。近年来,行业中出现了AMR(Autonomous Mobile Robot)这一新概念,本文将从技术发展历史及其技术特征来谈谈AGV与AMR。


1. 历史沿革

AGV最早出现在上世纪50年代的美国,按照机器人的三大特征,即代替人进行工作;具有通用性;直接对外界作用,AGV隶属机器人。由于最早的功能就是物料搬运,所以用了Vehicle(运载工具)这一英文单词。在2003年前的一些文献资料中,AGV的英文名词其实也没有完全统一,有称其为Autonomous Ground Vehicle的、有称其为Automatic Guided Vehicle或Autonomous Guided Vehicle的,甚至也有直接称其为Unmanned Vehicle的。在国内的名称也很杂乱,曾经出现“无人小车”、“无人搬运车”、“自动导引运输车”等。

2011年,在全国物流仓储标委会成立时,要求制定相关产品的国家标准,在结合了多位专家的建议后,最终将此类产品的中文名称定义为“自动导引车”,英文名称选用了Automated Guided Vehicle,即AGV。上世纪六十年代,为了突出与玩具及人形机器人的区别,把工业应用的机器人称为工业机器人;二十多年前,为了突出与其他工业机器人的区别,又出现了一个比较学术的英文名词——WMR(Wheeled Mobile Robot),即轮式移动机器人,其典型代表就是美国2003年的“勇气号”火星车。这样起来看,AGV就是“工业应用的轮式移动机器人”。最新国家标准的定义是:具备物料运输或操作能力,以轮式移动为特征,基于环境标记物或外部引导信号,沿预设路线运动的自主移动设备。

AMR是Autonomous Mobile Robot的英文缩写,即自主移动机器人。从字面上理解,AMR的范围应该很广,天上飞的无人机(UAV-Unmanned Aerial Vehicle),水中游的无人潜航器(UUV-Unmanned Underwater Vehicle 以及AUV-Autonomous Underwater Vehicle),也都应该属于此类。但在移动机器人领域,AMR同样是“工业应用的轮式移动机器人”。

2. AMR与AGV的区别

AMR与AGV的区别更多应该表现在“自主性(Autonomous)”上,但到目前为止,并没有看到AMR的准确定义,看到的仅仅是一些国外市场研究机构关于AMR与AGV区别的描述,那些描述都无法给AMR定性。其中典型的表述:

AMRs, unlike AGVs use on-board navigation, rather than external markers for localization, typically AMRs use SLAM based navigation, but this is not always the case,——以SLAM导航为基础,不需借助外部标记物,但也不都是这样;

AGVs using SLAM navigation are normally referred to as AMRs, but as there are shades of grey, it has never been properly defined when a vehicle is an AGV or an AMR,——用SLAM导航的AGV通常就被称为AMR,但不可能准确定义一辆车是什么时候是AGV、什么时候是AMR。

从这些表述中总结AMR的特征:第一SLAM导航;第二不需要外部标记物;第三不能完全肯定。其中都没有提到AMR的“自主(Autonomous)”特征。什么是AMR呢?根据笔者的认知,“不需要外部标记”是必要特征,但如果SLAM仅仅用于导航定位,与别的导航算法(如NDT)作用是一样的,因此,AMR的“自主”应该与导航算法无关,更多是关于“预设路径”还是“非预设路径”的问题,否则无法区别于被称为“轮廓导航”、“环境导航”又或是“自然导航”的AGV,因为这些导航同样“不需要外部标记”。再则,根据市场描述AMR非常重要的特征是:主动绕行障碍物。主动绕行的确是AMR计算的“非预设路径”,但问题是“能够主动绕行障碍物的自然导航AGV”就是AMR么?如果不是,AMR的“自主性”的范围就值得商榷了!

目前,自然导航AGV与AMR都须在已知的环境中运行,即事先构建并获得运行环境的全局坐标,都必须知道自己的当前位置和目标点的位置;当目标点坐标确定后,在行驶路径上,AMR运行有两种模式:一种是AMR按事先规划的预设路径(地图)运行,当在行驶路径遇到障碍时,能够绕行障碍。而目前自然导航AGV遇到障碍时停止,障碍物消失后延时自动运行或等待人工确认。另一种是AMR根据坐标信息或是寻找目标特征,动态规划路径,即非预设路径,自主决定可行使的区域。而自然导航AGV是由上位系统或单机自身对预设路径进行“搜索”,中获取运行信息,并按预设路径进行“导引(Guided)”或路径跟踪,一旦运行范围超过安全区域(Safety zoon)即为故障。

如果AMR是第一种模式,那么“能够主动绕行障碍物的自然导航AGV”就是AMR了,AMR与自然导航AGV也就没有本质的区别,是部分功能(绕障)的增强,自然导航AGV可实现。

如果是第二种模式,AMR将可能具备很大的优越性。体现在交通管理方面,由于单机具备动态路径规划能力,当多台AMR相遇时,能够主动避让,不会出现“死锁”现象。而对AGV系统来说,单机必须按路径行驶,无论是上位系统分配路径还是单机申请路径,都不可避免出现阻塞甚至“死锁”现象。

这样分析下来,AMR的主动性应该体现在:单机能够即时动态规划路径。“非预设路径”才是AMR唯一的标签,也只有这个功能AGV才不具备,毕竟是经过“导引(Guided)”的,即使出现局部“盲导(Blind)”,也须运行在预设路径上。

3. 可能产生的影响

1999年,美国MHI(Material Handling Industry)曾发布了一份关于AGV的公开技术资料,系统地描述了AGV的基础知识,并总结了使用AGV的好处(Benefits)。虽然过去了20年,但其中关于AGV单机运行最重要的几个特征(安全性、可预期性、可重复性等)仍然值得重视。我们简单讨论一下,在工业应用场合中“非预设路径”的移动机器人可能产生的影响:

安全性(Safety)——在绝大多数工业应用场合中,出于安全的考虑,人员路径、物流路径被事先指定,也就限制了移动机器人对路径的动态规划功能,只能在被允许的区域内安全运行,超出该区域将被认为不安全;

可预期性(Predictability)——对于大多数工业应用需求,更希望移动机器人的任务可被预期,其中最重要的是任务执行时间可预期,“非预设”路径增加了系统的复杂度,不可预测性增大;

可重复性(Repeatability)——AGV最初的基本用途就是在重复的路径上搬运货物。可重复、可再现也是工业应用的基本要求,与可预期性类似。“非预设”将使移动机器人运行路径的重复概率大大降低。

笔者认为,目前国内运行的AMR系统大多数是局部的“非预设路径”,在已实施的系统中,单机承载和尺寸都较小,灵活性较高,能够主动避障绕行,体现出更先进的一面,但在实际的应用中,必须注重周围环境(包括垂直方向)识别,以确保避障绕行时的安全;AGV按“预设路径”运行,安全性及运行秩序相对可控,但也应汲取AMR的优点,使系统更加柔性化,可以想象,未来AGV系统也会出现区域性的开放,即在特定区域内没有预设路径限制,单机能够自主行驶;在任务优化调度方面两者使用技术是相通的;而交通管理方面,AGV系统的“潮汐”动态路径,“十字路”编队通过等技术也值得AMR系统借鉴。

4. 总结

为了突出自身特点,区别于传统AGV,部分新兴企业更愿意称自己的产品为AMR。但行业内的传统企业,在解释不清AGV与AMR的区别时,只能继续把自己的产品称为AGV,与人的名字一样,叫了一辈子的“张三”,突然改名会让人感觉很奇怪。

就目前情况看来,AMR与“位置估算(Dead reckoning)”导航算法的AGV没有本质的区别,只是部分功能的增减,应相互借鉴优点,无论是AGV或是AMR只是产品“代号”,应当理性认识、理性宣传。

12月15-17日,由中国移动机器人(AGV/AMR)产业联盟主办的“2021 中国移动机器人(AGV/AMR)行业发展年会”将在北京举行,敬请期待!CMR产业联盟年会,是一年中最为重要的行业会议,会聊宏观经济的走势,做到自上而下的研判;会讨论投资策略,以及风险规避;会聊产业发生的趋势变化、探讨行业问题等。年会是打开视野、提升认知、抓基调、定主线的重要时刻。期待每一位与会嘉宾的真知灼见。

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