AI 赋能的移动机器人单体智能与群体智能发展趋势

来源:物流技术与应用 | 2021-04-02 09:46 | 作者:王宏玉

文|旷视高级副总裁兼机器人产品部总经理

中国移动机器人产业联盟名誉主席

王宏玉

王宏玉从1991年开始一直从事移动机器人和自动化物流技术的研发,看到技术始终是推动产品创新的主要动力之一,当前整个移动机器人行业都在积极拥抱人工智能(AI)技术。在作者看来,无论是传统企业,还是新兴企业,都应该加强分享,相互学习、共同提高,把中国移动机器人行业做好,争取在世界舞台产生一定影响力。

一、移动机器人市场:蓬勃发展

当前,消费者需求日趋个性化、多样化,产品更新迭代速度加快,企业需要以更加精益、高效、灵活的方式生产,自动化、智能化改造有助于企业提高工作弹性和效率,增加自身竞争力。与此同时,劳动成本的上升,熟练工人的短缺,以及人工对安全、健康工作环境的追求,也推动企业加大应用机器人替代人工。2020年的疫情也进一步加速了企业开展自动化、智能化改造的计划。

在这一背景下,移动机器人市场蓬勃发展。根据Interact Analysis预测,全球移动机器人(AGV/AMR)市场在2024年将超过125亿美元;制造业对机器人技术的投资将持续增长,移动机器人在制造业的投资将在2024年达到约50亿美元的峰值。

中国移动机器人产业联盟、新战略机器人产业研究所数据显示,2019年度,中国移动机器人(AGV/AMR)市场规模达到61.75亿元,同比增长45.2%。2019年移动机器人所有品类产品新增量33400台(不含小黄人类别),同比增长约12.8%。

作为移动机器人最主要的应用场景,智能仓储及物流的市场也呈现持续高速增长的态势。网经社《2019年度中国物流科技行业数据报告》显示,近十年来中国智慧物流市场平均增速高于20%。在智能制造以及工业4.0建设持续推进的背景下,企业都在寻求应用机器人、AI、5G等新技术实现降本、增效、提质,提升自身竞争优势,对移动机器人的需求明显增加。

二、移动机器人发展趋势:更加智能

移动机器人主要需要解决定位、规划、控制等问题,目前重点的研究领域包括环境感知与建模、定位与导航、环境理解、多机器人协调等。人工智能、大数据、物联网等技术的成熟和应用,促进移动机器人的感知、决策能力大幅提升,设备之间交互更加高效,数据流动更加自由,软硬件协同效能更大。

移动机器人的未来发展趋势可以概括为单体智能和群体智能。

1. 单体智能

单体智能是指单个机器人的智能化程度,即单个机器人的感知能力、理解能力以及自主决策能力的大小。移动机器人未来会拥有更多AI元素。其中,基于SLAM(Simultaneous Localization and Mapping,即时定位与地图构建)技术、尤其是视觉SLAM技术的多传感器融合导航方式,以及基于深度学习的环境理解,是支撑单体智能化程度不断升级的重要技术方向。具体而言,有以下主要趋势:

(1)导航技术定义产品形态,基于SLAM的AMR将成为主流

移动机器人的导航技术经历了有轨方式(如磁带牵引方式)、信标方式(如二维码)、无信标方式(如SLAM)的不同阶段。二维码导航机器人需要在现场张贴二维码,对二维码粘贴精度要求高,且易损坏。SLAM技术可以让机器人在无信标的情况下实现定位导航,具有易部署、柔性等特点,更加适合在运行环境复杂、业务经常变动的场景下应用,因此受到越来越多客户青睐,正在成为机器人领域的主流趋势。

随着导航技术发展,工厂内的设备形态从最初传统企业使用的自动导引车即AGV(Automated Guided Vehicle),逐渐过渡到智能化、自主化程度都更高的自主移动机器人AMR(Automated Mobile Robot)。2020年可以说是SLAM机器人的应用元年,越来越多大型企业采购和部署AMR,基于SLAM技术的AMR正在受到越来越多的客户青睐,将成为业界主流趋势。

(2)新技术降低感知成本,视觉SLAM是未来方向

在工业物流领域,基于SLAM技术实现的机器人自主导航,根据传感器不同主要分为激光SLAM和视觉SLAM。目前,激光SLAM技术相对更加成熟,是市场应用的主流。但视觉SLAM也开始兴起。这得益于机器人单体主处理器处理能力的提升,特别是一些带GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)、NPU(Neural-network Processing Unit,嵌入式神经网络处理器)的处理器的应用,机器人视觉处理能力得到极大提升,以深度学习技术为核心的视觉处理可以在机器人上实现。

目前,视觉技术已经逐渐被应用到机器人立体视觉避障(人/ 物区分识别),以及视觉导航和末端高精定位上。随着视觉算法技术的成熟,传感器成本低、感知信息量大的视觉SLAM导航机器人,将会成为未来方向。

(3)深度学习技术广泛应用,大幅增强移动机器人的“理解力”

深度学习是本轮人工智能爆发的关键技术,推动AI在计算机视觉、自然语言理解等领域取得了突破进展。深度学习的广泛应用,也大大提升了机器人的理解力,使得机器人在交互、执行的过程中安全性、准确性更强。

深度学习技术在计算机视觉中的应用主要有物体识别、目标检测与跟踪、语义分割、实例分割等,具体到机器人场景中,语义SLAM能把物体识别与视觉SLAM结合起来,将标签信息引入优化过程中,构建带物体标签的地图,实现机器人对周围环境内容的理解。

2. 群体智能

群体智能是指整个系统的智能化程度,即系统在集群作业中是否能够不断实现最优调度的能力。物流仓储等领域面临的最大挑战是海量设备与系统独立运行,无法协同运行导致效率难以提升,因此实现群体智能既是技术趋势,又是市场刚需。详情如下:

(1)规模化集群作业成必然,人工智能算法实现最优调度

机器人在实际应用中,通常是以集群的方式协同完成特定的任务。如:月台的托盘搬运集货,原材料的料箱存储和拣选,产线之间的物料搬运;托盘可以使用无人叉车搬运,原材料的存储拣选可以使用二维码类KIVA机器人,产线之间物料搬运可以使用SLAM机器人。

随着工厂和仓库自动化水平的不断提高,机器人(AGV/AMR)、无人叉车、穿梭车、堆垛机、机械臂、分拣机等智能设备越来越多,需要通过集群的方式协同完成特定任务。旷视看到,成百上千台多种类型设备的规模化集群作业已成必然,要保证整个群体协作的效率,并根据业务需求动态调整策略,需要让整个系统能够不断学习、不断修正自身策略;在这个过程中,人工智能将发挥巨大作用,帮助整个系统不断优化。

(2)同构仿真、数字孪生,为客户提供一站式服务

智能化、自动化改造的过程,会经过漫长的决策链,从方案设想,到方案设计和实际投入,这个决策过程此前基本依赖人的经验,这一过程可能会导致规划结果与实际需求产生较大偏差,浪费人力物力。因此,一套高效、精准的同构仿真系统,能够极大提高评估效率。

同构仿真是数字孪生中的一项关键技术。目前物流行业中,大多数仿真系统和执行系统是分开的,是异构仿真。只有在同构仿真的方式下,才能更加体系化地进行仿真,随着软件的不断更新迭代可以无限逼近现实场景,更好地制定最优策略。

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旷视河图数字孪生

三、AI赋能机器人的旷视实践:成效初现

旷视是一家世界级的新兴AI公司,有自主研发的深度学习框架和全球规模领先的计算机视觉研究院,在历次计算机视觉领域的世界顶级赛事中累计赢得40项世界冠军。依托于旷视研究院在三维视觉技术的长期积累,旷视在SLAM和3D感知等技术上创造了多项行业领先的技术创新,获得了世界计算机视觉领域顶级会议CVPR2020 SLAM挑战赛的双料冠军。

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旷视拥有全球规模领先的计算机视觉研究院

从2017年开始,旷视就尝试将AI能力注入移动机器人及物流领域:自研了多款AI赋能的移动机器人和智能物流装备,率先推出了AI赋能的机器人网络操作系统“河图(HETU)”,并与客户和合作伙伴携手共创AI赋能的工业应用案例。

1. AI赋能的单体智能:让设备有眼睛、会思考

目前,旷视自研SLAM技术已应用于MegBot-S800、MegBot-S800V等多款智能物流设备中。该技术赋能的机器人,主要具有以下特点:

(1)智能避障:制造工厂人机混杂,SLAM机器人能够自动识别物体、规避障碍物,有助于保障作业中的人、货和设备安全。

(2)高精到点:在机器人与产线或工作站对接时,SLAM机器人能够实现极高精度,还能做到重复到点的精度,避免对接失败、产线中断等生产事故,确保作业的稳定、可靠。

(3)重定位:在无人看管和干预的情况下,旷视SLAM机器人能够基于深度学习的视觉场景识别技术,随时随地自动开机、重启,投入工作。

(4)柔性导航:结合高精度地图,旷视SLAM机器人实现了更加灵活、安全和高效的智能导航。

(5)激光-视觉融合:不同于激光SLAM技术通常用于平面信息的识别,视觉SLAM技术可以感知三维空间的信息。旷视MegBot-S800V能够智能过滤动态物体,更加从容地应对复杂场景。它能够进行人-物智能识别区分,具备低矮障碍物以及高处悬浮物的立体视觉避障功能,如一只口红掉到地上,机器人也可以识别并绕开。

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旷视 MegBot-S800V 视觉建图及视觉导航演示

除了机器人之外,AI还能让传统物流装备有“眼睛”、可以简单“思考”,提高生产的安全性与效率。旷视人工智能堆垛机通过装载的五面扫描探照、3D摄像头,检测破损、异物、数量等异常情况,在提升作业效率的同时,保障盘点的准确率。到目前为止,经过1万多箱型的测试,人工智能堆垛机数量清点与真实情况还没有出现过差异。旷视已经在浙江某“黑灯工厂”部署了全球第一台人工智能堆垛机。

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旷视金隅实验仓

2. AI赋能的群体智能:使系统最优化,实现更高效的多机协作

面对越来越多的智能设备和子系统,旷视推出的智慧物流操作系统河图,将机器人等智能物流装备与物流、生产业务快速集成,提供规划、仿真、实施、运营等一站式解决方案,以旷视核心的AI能力通过物联网技术连接物流各个环节。

旷视河图能够将不同类型的智能设备集合在一起统一调度,具有极大挑战。以移动机器人和电梯通讯为例,这需要与电梯厂家合作开放接口,将两者真正打通。尤其重要的是,物流系统当中,目前还没有其他家把仿真系统和运营系统做到一起,旷视正在往这个方向推进,因为这样才能帮助整个系统实现效率最优化。

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AI 在旷视机器人产品中的应用

旷视正在为一家世界500强企业打造全球领先的柔性服装类智能仓,依托河图连接并调度10类近4000台智能物流装备,包括700余台移动机器人,对作业效率、多类型机器人协同、大集群机器人管控等综合能力提出了近乎苛刻的要求。

在徐福记智造工厂,在河图的统一调度下,几十台物料搬运机器人实现了“车间-公共月台-发货月台”之间的自动化搬运,现场搬运作业人员减少100%,物料搬运及时率和准确率达到100%,其自动躲避障碍物的功能,也大大降低了车间的安全风险。

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徐福记智造工厂中旷视河图调度机器人进行无人化物料搬运

在成都一汽富维车间,旷视通过河图系统,让车间内的机械臂、输送机、搬运型设备、提升机、堆垛机等设备形成联动与协同,整体提升3倍利用率,助力企业完成了全流程的智能化改造。

未来,旷视机器人产品部会继续完善机器人产品体系,搭建具有AI赋能的全机器人产品体系;研发市场需要的中高端物流设备,如基于移动机器人技术的新型穿梭车和智能叉车等有一定AI技术含量的产品。在研发和产品应用过程中,旷视希望与行业同仁相互分享经验,共同推动行业发展。


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