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邊緣上的AI:“協(xié)作機(jī)器人”如何快速處理傳感器數(shù)據(jù)

時(shí)間:2019-04-01 14:09:14來源:來源: 國際工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)

導(dǎo)語:? 本文探討了當(dāng)今機(jī)器人、自動(dòng)化和把AI及AI所需數(shù)據(jù)緊緊鏈接在一起從而實(shí)現(xiàn)智能的最重要技術(shù)的某些關(guān)鍵發(fā)展趨勢,還討論了如何在AI系統(tǒng)中使用以及融匯不同的傳感器。

無論是傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng),還是當(dāng)今最先進(jìn)的協(xié)作機(jī)器人(Cobot),它們都要依靠可生成大量高度可變數(shù)據(jù)的傳感器。這些數(shù)據(jù)有助于構(gòu)建更佳的機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)和人工智能(AI)模型。而機(jī)器人依靠這些模型變得“自主”,可在動(dòng)態(tài)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中做出實(shí)時(shí)決策和導(dǎo)航。

工業(yè)機(jī)器人通常位于“封閉”環(huán)境中,出于安全原因,如果該環(huán)境中有人類進(jìn)入,機(jī)器人會(huì)停止移動(dòng)。但是限制人類/機(jī)器人協(xié)作,也使得很多益處無法實(shí)現(xiàn)。具有自主運(yùn)行功能的機(jī)器人,可以支持安全高效的人類與機(jī)器人的共存。

機(jī)器人應(yīng)用的傳感和智能感知非常重要,因?yàn)闄C(jī)器人系統(tǒng)的高效性能,特別是ML/AI系統(tǒng),在很大程度上取決于為這些系統(tǒng)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳感器的性能。當(dāng)今數(shù)量廣泛且日益完善和精確的傳感器,結(jié)合能夠?qū)⑺羞@些傳感器數(shù)據(jù)融匯在一起的系統(tǒng),就可以支持機(jī)器人具有越來越好的知覺和意識(shí)。

AI的發(fā)展

機(jī)器人自動(dòng)化一直以來都是制造業(yè)的革命性技術(shù),將AI集成到機(jī)器人中顯然將在未來數(shù)年中使機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)生巨大變化。本文探討了當(dāng)今機(jī)器人、自動(dòng)化和把AI及AI所需數(shù)據(jù)緊緊鏈接在一起從而實(shí)現(xiàn)智能的最重要技術(shù)的某些關(guān)鍵發(fā)展趨勢,還討論了如何在AI系統(tǒng)中使用以及融匯不同的傳感器。

推動(dòng)機(jī)器人的AI處理技術(shù)至邊緣計(jì)算

ML包括兩個(gè)主要部分:培訓(xùn)和推理,可以在完全相異的處理平臺(tái)上執(zhí)行它們。培訓(xùn)通常是以離線方式在桌面上進(jìn)行或在云端完成,并且包括將大數(shù)據(jù)集入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在此階段,實(shí)時(shí)性能或功能都不是問題。培訓(xùn)階段的結(jié)果是在部署時(shí)已經(jīng)有了一個(gè)經(jīng)過培訓(xùn)的AI系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠執(zhí)行特定任務(wù),例如,調(diào)查組裝線上的瓶頸問題、計(jì)算和跟蹤一個(gè)房間內(nèi)的人員或確定賬單是否是偽造的。

但是,為了讓AI實(shí)現(xiàn)其在許多行業(yè)的應(yīng)用前景,在推理(執(zhí)行培訓(xùn)后的ML算法)期間必須實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)完成傳感器數(shù)據(jù)的融合。為此,設(shè)計(jì)師需要在邊緣實(shí)施ML和深度學(xué)習(xí)模型,將推理功能部署到嵌入式系統(tǒng)中。

舉例來說,在工作場所設(shè)立協(xié)作機(jī)器人(如圖1),與人進(jìn)行密切協(xié)作。它需要使用來自近場傳感器及視覺傳感器的數(shù)據(jù),來確保它在成功防止人類受到傷害的同時(shí),支持人類完成對于他們來說有難度的活動(dòng)。所有這些數(shù)據(jù)都需要實(shí)時(shí)處理,但是云的速度達(dá)不到協(xié)作機(jī)器人需要的實(shí)時(shí)、低延時(shí)響應(yīng)。要攻克這個(gè)瓶頸,人們把當(dāng)今先進(jìn)的AI系統(tǒng)發(fā)展到了邊緣領(lǐng)域,即,機(jī)器人意味著存在于邊緣設(shè)備中。

這種分布式AI模型依賴于高度集成的處理器,這種處理器具有:

·豐富的外圍設(shè)備組,用于對接不同傳感器

·高性能處理功能,以運(yùn)行機(jī)器視覺算法

·加速深入學(xué)習(xí)推理的方法。

此外,所有這些功能還必須高效工作,并且功耗相對低,體積相對小,以便由邊緣承載它們。

隨著ML的普及,我們經(jīng)過功耗和尺寸優(yōu)化的“推理引擎”的可獲得性也越來越高。這些引擎是專為執(zhí)行ML推理而專門設(shè)計(jì)的硬件產(chǎn)品。

集成式片上系統(tǒng)(SoC)在嵌入式空間內(nèi)通常是好的選擇,因?yàn)槌苓\(yùn)行深度學(xué)習(xí)推理的各種處理元件外,SoC還集成了使嵌入式應(yīng)用變得完整的許多必要部件。

讓我們來分析一下當(dāng)今時(shí)代中的熱門機(jī)器人發(fā)展趨勢。

協(xié)作機(jī)器人(協(xié)作機(jī)器人)

接近傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人沒有外圍設(shè)備,但是人們一般無法獲得它們。與之相反,協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)用于在運(yùn)行時(shí)與人安全互動(dòng),緩慢而優(yōu)雅地移動(dòng)。

根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)TS15066的定義,協(xié)作機(jī)器人是一種能夠用在協(xié)作環(huán)境中的機(jī)器人,協(xié)作操作意味著機(jī)器人和人在定義的工作空間內(nèi)同步工作,進(jìn)行生產(chǎn)操作(這不包括機(jī)器人+機(jī)器人系統(tǒng)或同地協(xié)作、在不同時(shí)間進(jìn)行操作的人與機(jī)器人)。定義和部署協(xié)作機(jī)器人,可預(yù)測機(jī)器人的實(shí)體部分(如實(shí)際功能擴(kuò)展,比方說激光)與操作員的潛在沖突。更重要的是,這會(huì)利用傳感器來確定操作員的精確位置和速度。

協(xié)作機(jī)器人制造者必須在機(jī)器人系統(tǒng)中實(shí)施高水平的環(huán)境感應(yīng)和冗余,以便快速探測和防止可能的沖突。集成式傳感器與控制單元連接,將可傳感機(jī)器人臂與人或其他對象的迫在眉睫的沖突,控制單元將立即關(guān)閉機(jī)器人。如果任何傳感器或其電子電路故障,機(jī)器人也將關(guān)閉。

物流機(jī)器人

物流機(jī)器人是在可能有人或沒人的環(huán)境中操作的移動(dòng)設(shè)備,如倉庫、配送中心、港口或園區(qū)等。物流機(jī)器人提取貨物并把貨物帶到包裝站,或者把貨物從公司站點(diǎn)的一棟建筑物運(yùn)送到另一棟建筑物;某些物流機(jī)器人還能揀貨和包裝。這些機(jī)器人通常在特定環(huán)境中移動(dòng),需要傳感器進(jìn)行定位、繪圖和防止沖突(特別是與人的沖突)。

直至最近,大多數(shù)物流機(jī)器人還在使用預(yù)定義的路線;而現(xiàn)在它們已經(jīng)能夠基于其他機(jī)器人、人和貨物的位置來調(diào)整它們的導(dǎo)航。超聲波、紅外線和LIDAR感應(yīng)目前都是已投入應(yīng)用的技術(shù)。鑒于機(jī)器人的移動(dòng)性,位于其內(nèi)部的控制單元一般是通過無線方式與中央遠(yuǎn)程控制通信。物流機(jī)器人目前已采用的先進(jìn)技術(shù),包括ML邏輯、人機(jī)協(xié)作及環(huán)境分析技術(shù)等。

勞動(dòng)力成本上升和嚴(yán)格的政府法規(guī),都促使物流機(jī)器人得到了更廣泛的應(yīng)用。它們的受歡迎程度也水漲船高,因?yàn)樵O(shè)備和傳感器等部件的成本有所下降,集成的成本(和所需時(shí)間)也呈下行趨勢。

最后一英里交付機(jī)器人

在將產(chǎn)品從倉庫貨架運(yùn)輸?shù)娇蛻糸T前臺(tái)階的過程中,“最后一英里”交付是物流過程的最后一步:將貨物最終運(yùn)抵買家門前的時(shí)刻。這不僅對形成何等客戶滿意度很關(guān)鍵,同時(shí)最后一英里交付還是成本高昂和耗時(shí)的。

最后一英里交付的成本占據(jù)整個(gè)貨運(yùn)成本的大頭:就其本身而言,使最后一英里交付更高效已經(jīng)成為開發(fā)和實(shí)施新機(jī)器人技術(shù)的重點(diǎn),它能推動(dòng)過程改進(jìn)和提高效率。

機(jī)器人中AI的傳感器技術(shù)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,互補(bǔ)傳感器技術(shù)也在發(fā)展。與人類的五種感官非常相似,在將機(jī)器人系統(tǒng)部署到不斷變化和不受控制的環(huán)境中時(shí),結(jié)合不同的傳感技術(shù)可以提供最佳結(jié)果。即使是機(jī)器人執(zhí)行的最簡單的任務(wù)也將取決于3D機(jī)器視覺來將數(shù)據(jù)饋送到AI技術(shù)中。若未能夠重建3D圖像的機(jī)器視覺,且AI將該視覺信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器人方面的成功動(dòng)作,則在沒有預(yù)定位置和運(yùn)動(dòng)的情況下抓住對象不可能實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)今用于支持機(jī)器人中AI的最流行和最相關(guān)的傳感器技術(shù)包括:

·飛行時(shí)間(ToF)光學(xué)傳感器:這種傳感器基于ToF原理,采用光電二極管(單一的傳感器元件或一個(gè)陣列)和有源照明來測量距離。把從障礙物反射的光波與發(fā)射波進(jìn)行比較,從而測量延遲,該值即代表距離。此數(shù)據(jù)有助創(chuàng)建對象的3D地圖。

·溫度和濕度傳感器:許多機(jī)器人需要測量溫度,有的時(shí)候還要測量其所在環(huán)境與其部件的濕度,包括電機(jī)和主AI母板,以此確保它們在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

·超聲波傳感器:如果機(jī)器人在明亮環(huán)境下看不到東西或者在很暗的環(huán)境中找不到它自己,就說明視覺傳感器沒有工作。通過傳輸超聲波和聆聽從對象上反射回來的回波(類似于蝙蝠操作的原理),超聲波傳感器可在黑暗或明亮的環(huán)境中出色運(yùn)行,克服光學(xué)傳感器的局限。

·震動(dòng)傳感器:工業(yè)震動(dòng)傳感是預(yù)防性維護(hù)所必要的條件監(jiān)控的核心部分。集成式電子壓電傳感器是工業(yè)環(huán)境中最常用的震動(dòng)傳感器。

·毫米波傳感器:毫米波傳感器使用無線電波及其回波來確定移動(dòng)物體的方向和距離,方法是測量三個(gè)因素:速度、角度和范圍。這幫助機(jī)器人基于物體接近傳感器的快慢來采取更多的預(yù)防措施。雷達(dá)傳感器在黑暗環(huán)境中的運(yùn)行具有卓越性能,它能通過如干壁、塑料和玻璃等材料進(jìn)行傳感。

雖然在工廠車間里人類仍然執(zhí)行大部分任務(wù),但機(jī)器人將適應(yīng)人類工作、提高自動(dòng)化程度。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),他們需要配備更多的AI功能,以實(shí)時(shí)識(shí)別和適應(yīng)各類情況,這只有在AI處在最前沿時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)。

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