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ANYbotics 的 ANYmal C 多模块机械式机器人

2021-01-28 10:49
来源: 康佳特

ANYbotics的机器人解决方案即使在复杂地形中也拥有最先进的移动功能和自主功能。其强劲的嵌入式计算性能由康佳特的三款COM Express计算机模块提供,被用于情境感知、运动控制和任务遂行这三项关键任务。

 

(企业供图,下同)

随着计算机智能和传感技术的进步,从前无法感知环境的固定型机器人正逐渐进化为智能且自主的移动型机器人。这不仅能让人类从高危作业中解放出来,还能在现实生活场景中优化重复性劳动,实现经济效益。这类机器人可以自动完成以前需要人工进行的许多工作,可执行的任务种类也大幅增加。

正因为如此的前景,机器人应用成为一个繁荣发展的产业也就不足为奇了。整个全球智能机器人市场预计将实现23%i的复合年均增长率。然而,增长情况因具体细分市场而异。例如,自主送货机器人市场预计在今后5年内达到49.5%的复合年均增长率ii,而同期农用机器人市场预计实现22.8%的复合年均增长率iii。包括无人飞机(UAV)、无人地面车辆(UGV)、无人海洋车辆(UMV)在内的全球民用自主移动型机器人市场已十分成熟,因此预计增长速度相对较慢,但在2019至2025年期间仍有望达到15.9%的可观增长率iv。这类机器人的终端用户遍布能源、加工、物流、交通、协同制造、农业、矿业等诸多领域。凭借在复杂地形中具有先进移动功能和自主功能的四足ANYmal C机器人,ANYbotics将和其它开发商一同进军上述市场。

ANYbotics的ANYmal C是一款耐用性机器人,其设计初衷是能够在与人类相同的环境中运行,包括各种复杂而崎岖的地形,例如离岸风力发电场、油井、矿井,以及通道上有许多障碍物的工业设施。

ANYmal C自主移动型机器人和其它智能机器人的区别在于,它能够在多变的人类环境中高度自主地执行任务,而不是像自动化仓库或工厂车间那样,仅执行预先设定的指令。这款机器人会对移动中/突然出现的障碍物乃至环境因素的变化(光照、雨、雪等)做出响应。此外,它还能在无需外部指引的情况下自行解决问题,例如通过简单的刹车来避免事故。它的独特之处在于,一般的自主移动型机器人必须重新规划指向目标地点的替代路线,才能成功完成任务。

为了安全而可靠地在工厂中穿行,自动机器人系统(ARS)需要一系列传感器来收集并解读设备和环境数据,其终极目标是运用复杂地形(例如大型工厂和施工地)中的高级移动功能和自主功能,让ARS像人类熟练工那样执行复杂任务。只有这样,它才能让人类同事无需暴露在高危环境中,同时优化数据获取的精度及可靠性。

为了获取全面的情境感知数据,ARS需要搭载各种感知传感器,以实现安全运行。其即时定位和测绘功能(SLAM)必须在复杂而多变的环境中也能运行良好。在ANYmal C机器人中,ANYbotics采用了一系列导航和路径规划传感器。在障碍物侦测和地形信息方面,ARS在机体各侧面都配备了立体光学摄像头,以提供360度的视野和深度信息。精密的光照侦测和测距(LIDAR)系统可提供进一步的环境数据,实现最远100m范围的导航。在远程操作以及用于特定路径规划的teach-in操作模式,ANYmal C在正面和背面配备了两个广角摄像头,可为操作人员提供宽阔的视野。在户外操作方面,ANYmal C可加装各类全球卫星定位系统(如GPS)的信号接收器。

用于定位和测绘的情境感知功能只是让这台自动四足机器人动起来的必要功能之一。另一个重要功能是其高级运动系统的实时操控,这让ANYmal C能够进行全方向的移动、跨越最高25cm的台阶、攀爬最大45度的工厂坡道,或钻入宽度不超过50cm的空间。

除了导航和移动功能外,ANYmal C还需要执行自己的任务。为此,它可以自由选配最多10kg重的传感器,并自动运行2到3小时。ANYmal C已推出首款针对特定用途的型号,用于室内/户外工厂及其它严苛环境中的检测任务。为此,这款机器人配备了一个云台检测装置,它包含一个光学缩放摄像头,以便观察模拟仪表和止回阀的读数。此外还有一个热成像摄像头,旨在检查机器或其它设备是否出现意外过热或温度异常情况。在气体泄漏检测方面,ANYmal C配备了气体传感器,同时还有一个超声波麦克风进行声学检测,以便在早期阶段发现机器的异常状况。

为了执行开头提到的三项任务,并确保出色的性能和可靠性,ANYbotics采用了基于两个英特尔i7六核处理器和一个i7双核处理器的模块化设计。这些处理器都具备虚拟化功能,可进一步将各类子任务分摊到每个核心上。这些处理器提供的计算能力可实现高级运动控制、实时测绘及自动导航,还有复杂的机载客户应用。这种灵活的设计使得它能平衡每个任务的性能消耗与处理速度,并为未来的性能升级奠定基础。所有功能的设计皆简单易操作、耐用且IP67防水防尘,其突破性的设计也让ANYmal C得以执行更多的任务,包括搜救、安防、震灾救援或简单的包裹投递。

在计算能力的配套设计上,ANYbotics采用了康佳特的COM Express计算机模块。由于即刻可用、便于整合,且是囊括所有必要驱动和固件的标准化平台,计算机模块在这类嵌入式系统设计领域广受欢迎。这些模块包含了所有关键组件,例如CPU、RAM、高速接口,往往还有以单独的验证版套装形式提供的图形元件。另一项优势在于,在处理器世代和厂商方面,尺寸和标准相同的各款计算机模块是可定制的。这让OEM能够灵活定制和升级它们的解决方案,在产品推出数年后也能换上最新的处理器。客户则得以将所有的时间和资源集中投入到载板设计上,并确保所有的功能和接口精确地符合使用需求,同时无需考虑复杂的处理器配套设计。

虽然标准化的COM Express模块可轻松互换,但不同模块供应商提供的服务和品质仍可能存在差异。OEM应当追求最优的总拥有成本(TCO),但除了模块价格本身,还有很多其他影响因素。首先,设计质量必须经过检验,以确保模块具有出色的热阻、机械应力及稳定性和电子干扰耐性。可靠的嵌入式产品供应商可以提供充分的测试文件,以证明其设计符合要求。其次,模块应当针对所有必要的硬件和软件,配备全面的载板支持功能,以简化操作系统和软件整合工作。特定模块型号的长期供应是另一个可降低长期TCO的关键因素。虽然计算机模块是即刻可用的产品,上述功能也只是其中一部分,其设计和开发工作仍需要供应商和OEM的密切合作。这时,专业的分销商和技术合作伙伴就会发挥作用,提供全面和针对性的配套设计服务及技术支持,帮助OEM尽快将解决方案推向市场。瑞士公司Fabrimex Systems是康佳特的授权销售伙伴,双方已有7年的成功合作经验。Fabrimex Systems将康佳特产品与其技术专长相结合,并提供其它组件、设计服务和定制系统级产品。在此方面,ANYbotics给予了Fabrimex Systems和康佳特极高的评价:“合作关系卓有成效、可靠且令人愉快。”客户们还夸赞了Fabrimex Systems的本地技术支持和服务,以及康佳特的产品,包括全面的软件工具、技术资料,以及品类多样、寿命周期高达10-15年的产品。其中,计算机模块具有一整条长期稳定的升级路线,单板计算机也可满足未来的设计和可兼容的升级。

02:除360度视野的立体摄像头和一系列传感器外,该机器人还具有环境测绘用的LIDAR,可配备最多10kg重的额外传感器,用于检测任务。

03:ANYbotics的每台机器人上都安装了康佳特计算机模块,包含两种处理器型号:Intel®Core™ i7六核处理,以及低功耗的双核ULT处理器。测绘、路径规划和实时运动控制等任务都被集中分配到专门的处理器核心上。此外,还有空余的第三区块,用于客户指定的应用。

04:对于需要小巧耐用的嵌入式计算元件的自主移动型机器人来说,计算机模块相比全定制设计有更多优点。


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