類KIVA型AGV在工業制造中的前景探索

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，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1 怡豐機器人研發的自然導航AGV在上汽大眾某廠區應用

一、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?？爝f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。

表1 二維碼導航、激光導航、視覺SLAM導航的對比

目前看來，傳統快遞電商模式中的類KIVA型AGV應用于制造業，無法滿足制造業的需求，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導航等為基礎的類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的局限性。

圖1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，無需放置標志性物體，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）還應用在國家電網、3C電子、生物制藥、汽車配件等領域，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。怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人應用現場，如圖2。

二、導航技術分析

1.二維碼導航的介紹

類KIVA機器人實質是以二維碼導航為基礎的差速AGV。二維碼導航是間歇式導航的典型代表，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，大致有以下優勢和不足：

二維碼導航的優勢：（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）二維碼導航的穩定性高。

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當受到其他物體的碾壓，會對二維碼造成損壞；（3）因二維碼導航方式自身的局限性，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。怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人應用現場，如圖3。

2.激光導航和視覺導航的簡介

（1）相關概念

圖2 怡豐機器人的類KIVA倉儲機器人應用現場

激光導航和自然導航都是應用激光的導航方式，本質上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，是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）導航模式的對比

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，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板，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1是對二維碼導航、激光導航、視覺SLAM導航的對比總結。

三、總結

通過以上分析可以得出，激光導航和視覺SLAM導航AGV，相比二維碼導航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，而激光導航和視覺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導航將逐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導航將有可能逐步取代傳統導航方式。