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机器人产业全面分析(七):移动四类四技术,全球波士顿中国振华极智嘉!

2021-08-16 18:33
史晨星
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自动驾驶系列(可点击):(一)~(四)燃料电池系列(可点击):(一)~(三)

十六、移动机器人

81. 移动机器人:AGV/AMR、叉车、移动协作、腿足式

移动机器人是工业机器人的一种,具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能,在实际生产中最主要的用途是搬运,根据移动方式来分,可分为:轮式、步行、履带式、爬行、蠕动、游动式等,主要分为 AGV/AMR、叉车、移动协作、腿足式四大类,下面详细介绍

82. 市场:全球 140 亿,中国 77 亿

2019 年全球移动机器人市场规模 140 亿元,2020 年中国 41000 台 77 亿元

83. 应用:快递 35%、汽车 21%、家电 19%

移动机器人主要应用在工业与物流领域各个行业,2019 年电商快递占 34.5%,汽车占 21.2%、家电占 18.5%

84. 技术核心:导航、控制、底盘结构、供电

移动机器人是工业机器人的一种,核心技术主要在导航、控制、底盘结构、供电四大部分,其中控制系统占 18%,定位导航系统 36%,运控驱动系统 16%,三者相加几乎占到 70%

85. 导航原理:定位、环境感知、路径规划导航是根据路径偏移量来控制速度和转向角,保证精确行驶到目标点的位置及航向的过程,涉及三大技术要点:

1. 定位:确定AGV在工作环境中相对于全局坐标的位置及航向,主要有相对定位和绝对定位两种 相对定位中传统的是航位推算法,机器人在已知初始位置和方向的情况下,在移动的同时利用装载的加速度计、罗盘、陀螺仪等传感器得到机器人所走路程,从而实现定位,但这种定位误差会随着机器人所走路程的增加而积累绝对定位包括传感器定位、地图匹配定位、无线射频识别定位、WIFI定位技术等


2. 环境感知与建模:通过环境感知确定前进方向中的可达区域和不可达区域,确定在环境中的相对位置,以及对动态障碍物运动进行预判,从而为局部路径规划提供依据 

3. 路径规划:一种是基于环境信息已知的全局路径规划,另一种是基于传感器信息的局部路径规划,一般包括构建全局地图、寻找最优路径、避障、路径跟踪几个部分

86. 导航方式:磁条→二维码→激光视觉SLAM→多传感器融合无人驾驶
移动机器人导航方式经历了四代更迭,1.0 为磁条或导线导航,2.0 依靠二维码导航,3.0 为激光视觉SLAM,4.0 是多传感器融合无人驾驶机器人


1.0 磁导航磁导航包括电磁导航、磁条导航、磁钉导航、色带导航等等,原理类似,都是在 AGV 的行驶路径地上或地下埋设金属导线/磁条/磁钉/色带,并加载低频、低压电流,使导线周围产生磁场,AGV上的感应线圈通过对导航磁场强弱的识别和跟踪,实现AGV的导引,优点是成本低,缺点是后期很难更改路线,

2.0 二维码二维码导航的原理是通过摄像头扫描地面铺设的二维码,通过解析二维码信息获取当前的位置信息,通常与惯性导航相结合,实现精准定位,惯性导航是利用移动机器人内部传感器(光电编码器,陀螺仪)获取角速度和加速度,作为辅助定位。优点是定位精确,改变路径较容易,缺点是需要定期维护,对场地平整度有一定要求。

3.0 SLAM:激光、视觉、Wifi

SLAM(Simultaneous Localization and Mapping 即时定位与地图构建)是机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动,在移动过程中根据位置估计和传感器数据进行自身定位,同时建造增量式地图,主要包括激光 Lidar SLAM、视觉 VSLAM、Wifi-SLAM

激光导航利用激光雷达作为传感器,获取地图数据,使机器人实现同步定位与地图构建,分为激光反光板导航(需要在行驶路径的周围安装位置精确的反射板)、自然导航(直接感知周围环境中的墙面、物体等信息作为定位参照物实现定位导航),优点是灵活规划路径,缺点是成本高

激光雷达工作原理是向目标发射激光束,然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行处理后,获得目标距离、方位、高度、速度、形状等参数,按激光源发出的线束可分为 2D单线激光雷达、3D多线激光雷达,详细分析请持续关注公众号史晨星(Shichenxing1)

视觉导航用摄像头采集周围环境信息,通过图像处理完成障碍物以及路标的识别,得到导航参数并完成导航,分为单目(单个摄像头Mono SLAM)、双目(多个摄像头可估计环境深度)、RGB-D(结构光或TOF直接测距),优点是成本低,缺点是技术不成熟无法单独使用

Wifi-SLAM 指利用智能手机中的多种传感设备进行定位,包括 Wifi、GPS、陀螺仪、加速计和磁力计,并通过机器学习和模式识别等算法将获得的数据绘制出准确的室内地图

4.0 多传感器融合无人驾驶
要实现完全无人驾驶,需要多传感器融合复合导航,具体方法嘛,还在探索中……

全球:磁导航明电舍,激光导航科尔摩根 NDC

日本明电舍主做磁导航,所代表的硬件车体为主的路线已经破灭瑞典科尔摩根 NDC 专注激光导航,目前占据主流

中国:激光导航龙头镭神智能,视觉群雄混战

镭神智能:中国机器人激光雷达龙头

深圳镭神智能成立于 2015 年,是全球唯一一家同时掌握了 TOF 时间飞行法、相位法、三角法和调频连续波等四种测量原理的激光雷达公司,覆盖自动驾驶、智慧交通、轨道交通、机器人、物流、测绘、安防、港口和工业自动化等九大产业生态圈应用,面向 AGV 推出了 2D 单线+ 3D 多线雷达,2021 年 7 月完成 3 亿元 C 轮融资,出货 1 万多台

87. 控制:调度系统、地面控制、车载控制

移动机器人控制系统包括物流上位调度系统、地面控制系统、车载控制系统组成,三者相互协助工作,从而实现自动化运输

调度系统可以同时对几百台上千台移动机器人实行中央监管、控制和调度,包括任务调度、路径规划、交通管制、与设备对接、与MES/ERP对接等

?全球:瑞典科尔摩根 NDC 占据主流中国:群雄混战,尚未出现龙头

88. 底盘:轮式、履带式、腿足

底盘负责机器人的运动和转向,是机器人的执行机构,主要分为轮式、履带式、腿足等

轮式机器人底盘则主要应用于工业物流及商业服务机器人身上,具有运动速度快,运动噪音低等优点,适合一般室内外场景的应用,可分为前轮转向后轮差速驱动、两轮驱动+万向轮、四轮驱动等。

履带式机器人底盘主要应用于特种机器人身上,具有牵引力大、不易打滑、越野性能好等优点,可适用于野外、城市环境等,能在各类复杂地面运动,例如沙地、泥地等,但速度相对较低,且运动噪声较大

腿足式机器人可以运行在任何轮式不能工作的表面上,甚至可以跳过、跨越障碍物,未来完全可以代替人进行巡检等作业

群雄混战,尚未出现龙头

89. 供电:换电、手动充电、自动充电、无线充电

移动机器人主要由磷酸铁锂、三元电池等组成的车载蓄电池组供电,充电方式分为换电、手动充电、自动充电、无线充电

群雄混战,尚未出现龙头

90. 历史:全球 1953,中国 1976

1953 年,第一辆移动机器人诞生,在一间仓库中沿着布置在空中的导线运输货物1972 年,瑞典科尔摩根 NDC 在沃尔沃 Kalmar 工厂开发和安装了第一套现代化自动化导引车系统1976 年,北京起重机机械研究所研制出中国第一台 AGV1991 年,新松机器人为沈阳金杯汽车厂研制生产了 6 台 AGV2012 年,亚马逊收购 kiva 仓储分拣 AGV,移动机器人进入物流行业

91. AGV→AMR,中国龙头极智嘉Geek+

AGV 全称 Automated Guided Vehicle,意思是“自动导引运输车”,属于轮式移动机器人的一种,区别于固定安装在流水线旁的传统工业机器人,其装备有电磁或光学等自动导引装置,能够沿规定的导引路径行驶,具有安全保护以及各种物流搬转运功能的运输车

AMR 全称 AutomatedMobile Robot,即自主移动机器人,主要区别是采用 3.0 激光视觉 SLAM 导航

2019 年全球移动机器人市场规模139.5亿元,AMR 50.7 亿元占 36%2020 年中国 41000 台 77 亿,AMR 6900 台 14 亿占 18%

全球:欧美重载、日本极简功能

欧美偏向于大型重工业,AGV 普遍载重能力较强,更追求自动化和智能化

日本以高端轻工业为主,简化产生的极致产品为 AGC(Automated Guided Cart),成本较低

中国移动机器人国产化率达 80% 以上,北京极智嘉、上海快仓、苏州华晓、杭州海康、沈阳新松等出货量排在市场前列

北京极智嘉Geek+——AGV/AMR 龙头2015 年成立,通过移动机器人搬运货架实现“货到人”拣选,在全球已经销售超过 2 万台 AMR 工业应用机器人,在日本和亚太市场(不含中国)占有超过 80% 的份额

92. 重载 AGV:>2 吨,中国龙头振华重工

AGV 负载超过 2 吨即为重负载,主要用于重型制造业、工程机械、军工、港口码头、立体停车库等,核心技术是保证大负载下的结构稳定,包括驱动方式、底盘设计、导航方式等

国内以老牌 AGV 企业和大型机械设备厂商为主,行业龙头振华重工,2020年 8 月国内首台 240T 重载 AGV 在朗誉科技研制成功

振华重工 600320:中国龙头,港口 AGV 为主

振华重工是世界上最大的港口机械重型装备制造商,2000 年为汉堡港CTA自动化码头提供 4 台双小车岸桥,2005 年成功研发了第一代跨运车,2008年成功研发并建成了自动化码头示范线,港口 AGV 出货平均价 800 万一台,成本大概在 350-400 万,利润至少达到 100%,一般的AGV很难达到这个利润水平

93. 叉车 AGV:市场 20 亿,群雄混战中

叉车AGV 是在叉车上加载各种导引技术,构建地图算法,实现叉车无人化的作业,可实现自动分配任务、自动装载和卸载托盘、自动搬运物料至目标站点

2020 年中国叉式移动机器人销量 5000 台,同比增长 85%,市场规模 17 亿元,全球叉车销量 150 万辆,中国 60 万辆,叉车 AGV 占比 0.6%,替代空间巨大

整车主要分叉车本体、外部加工件、外部电气元器件三大部分。通过在叉车本体上加装外部加工件(前置安装组件+激光支架),从而将电气元气件安装并固定在车身上。整车在运行时,各路传感器和其他配件配合发挥各自的作用,将采集的信号传输给大脑进行控制。

全球叉车龙头日本丰田(市场占有率25%)、德国凯傲(林德、德马泰克、英杰明、NDC)、永恒力

中国叉式移动机器人厂商超过 55 家,群雄混战,尚未出现龙头

坤厚智能:中国潜力未来龙头

坤厚智能成立于 2015 年,推出了系列叉车 AGV 产品满足多场景应用,在激光SLAM导航的基础上辅以摄像视觉装置进行二次定位,将对接精度提高至±2mm,出货 200 余台

94. 移动协作:手脚齐全,中国群雄混战

机械臂代替的是手,AGV 取代的是脚,但都过于单一,所以诞生了AGV+机械臂这种复合型机器人,“手脚齐全”具备抓取、移动、检测识别等多功能模块,市场正在培育中,目前主要集中在半导体领域

2015 年新松推出中国第一台移动协作机器人,优艾智合、功夫、迦智、墨影等快速跟进,群雄混战中

95. 腿足式:全球龙头波士顿动力,中国群雄混战
相比于传统的轮式移动机器人,腿足式机器人可以运行在任何轮式不能工作的表面上,比如在散布碎石、坑洼的复杂地形、上下楼梯等,目前应用正在探索中,以巡检为主

全球龙头:波士顿动力
1992 年,波士顿动力从美国麻省理工实验室独立2013 年,被谷歌母公司 Alphabet 的 X 部门收购2017 年,被软银收购2020 年,开始售卖 Spot,单价 74500 美元2021 年,韩国现代汽车收购 80% 股份,估值 11 亿美元

中国包括杭州宇树、云深处、南京蔚蓝、多够等,尚未出现龙头

下面看个波士顿动力机器人的视频

最后发起一个投票,大家认为 AGV 和 AMR 能不能归为一类移动机器人?可以关注公众号回复“AGV”查看我们的分析
下篇文章将详细分析移动机器人在物流仓储中的应用,分享本文至朋友圈,打赏 10 元进作者交流群,100 元获取完整报告,加作者好友即可!

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