多個(gè)機(jī)器人在物料搬運(yùn)應(yīng)用中協(xié)同工作。這是一個(gè)可以通過工作單元優(yōu)化來加速的潛在應(yīng)用。

（作者：Dan Sorin，系Realtime Robotics（美國(guó)馬薩諸塞州波士頓）創(chuàng)始人兼首席架構(gòu)師）

在工業(yè)環(huán)境中部署機(jī)器人時(shí)，性能是首要目標(biāo)之一。在工業(yè)機(jī)器人工作單元中，性能通常用周期時(shí)間來衡量：完成一組任務(wù)所需的時(shí)間。典型的任務(wù)包括噴漆、焊接和檢查。無論哪種任務(wù)，目標(biāo)都是盡快完成，以便工作單元可以開始下一組任務(wù)的工作。特定單元的周期過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致該單元成為裝配線上的瓶頸。

提高性能的一種方法是在同一工作單元中使用多個(gè)機(jī)器人。在多機(jī)器人工作單元中，任務(wù)可由機(jī)器人分擔(dān)，期望機(jī)器人能同時(shí)完成工作，從而縮短周期時(shí)間。從理論上講，更多的機(jī)器人意味著更高的性能，但正如在廚房中增加廚師一樣，實(shí)際結(jié)果并不總是符合預(yù)期。

多機(jī)器人工作單元性能的挑戰(zhàn)

最近，一位客戶在工作單元中增加了第二個(gè)機(jī)器人后找到我們，說他們只將周期時(shí)間縮短了 10%。雖然我們不能期望獲得完美的并行性（從 1 個(gè)機(jī)器人增加到 N 個(gè)機(jī)器人，周期時(shí)間是之前的 1/N），但我們希望在工作單元中增加機(jī)器人能帶來最大的效益。

為什么多機(jī)器人工作單元難以實(shí)現(xiàn)更好的性能？想象一下，您正在設(shè)計(jì)一個(gè)有四個(gè)機(jī)器人的工作單元，每個(gè)周期需要完成 50 個(gè)任務(wù)。如果我們認(rèn)為設(shè)計(jì)既是為機(jī)器人分配任務(wù)，也是為每個(gè)機(jī)器人安排任務(wù)的順序，那么就有大量可能的設(shè)計(jì)需要考慮。

首先，有大量可能的機(jī)器人任務(wù)分配。也許這種可能性會(huì)受到一些限制，因?yàn)橛行C(jī)器人無法執(zhí)行某些任務(wù)，要么是因?yàn)樗鼈儫o法到達(dá)，要么是因?yàn)闄C(jī)器人是異構(gòu)的，某些類型的機(jī)器人只能執(zhí)行任務(wù)的子集。不過，可能分配的任務(wù)數(shù)量通常非常多，在本例中為 450 個(gè)（比 1030 個(gè)多一點(diǎn)）。然后，一旦分配了這些任務(wù)，機(jī)器人就可以按照大量不同的順序執(zhí)行任務(wù)。在我們的例子中，至少還有 1034 種可能的組合（假設(shè)任務(wù)平均分配為 12！4，如果任務(wù)分配不均，情況會(huì)更糟），因此我們最終需要考慮超過 1064 種可能的設(shè)計(jì)。即使我們可以每納秒測(cè)試一個(gè)設(shè)計(jì)，所需的時(shí)間也比宇宙的年齡還要長(zhǎng)。顯然，設(shè)計(jì)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可以窮盡搜索的數(shù)量。

是什么將眾多可能的設(shè)計(jì)區(qū)分開來呢？在好的設(shè)計(jì)中，每個(gè)機(jī)器人每個(gè)周期花費(fèi)的時(shí)間大致相同；我們要避免一些機(jī)器人閑置，而另一些機(jī)器人仍在工作。同樣，在一個(gè)好的設(shè)計(jì)中，每個(gè)機(jī)器人都能移動(dòng)，而無需花費(fèi)大量時(shí)間等待其他機(jī)器人讓路，或采取非最佳路徑以避開其他機(jī)器人。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高性能編排。

在如此廣闊的設(shè)計(jì)空間中，好的設(shè)計(jì)和差的設(shè)計(jì)之間的性能差異可能很大。即使忽略明顯的不良設(shè)計(jì)，例如，將幾乎所有任務(wù)分配給一個(gè)機(jī)器人，或?qū)θ蝿?wù)進(jìn)行排序，使機(jī)器人的總運(yùn)動(dòng)量最大--看似合理的設(shè)計(jì)之間仍然存在顯著的性能差異。

Realtime Robotics 的工程師正在研究多機(jī)器人緊固和檢查單元

我們的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了優(yōu)化即服務(wù) (OaaS)，利用專有算法找到高性能的設(shè)計(jì)方案，否則工程師團(tuán)隊(duì)需要花費(fèi)數(shù)月時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)這些方案。與經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師費(fèi)力開發(fā)的設(shè)計(jì)相比，使用我們的 OaaS（稍后討論），我們的速度提高了 5%-20%。這一結(jié)果說明，設(shè)計(jì)既非常困難，又非常重要。

目前如何進(jìn)行多機(jī)器人工作單元設(shè)計(jì)

工程師如何從如此龐大的設(shè)計(jì)空間中選擇設(shè)計(jì)方案？從根本上說，搜索任何類型的巨大空間的唯一方法就是從其中抽取樣本（選擇一個(gè)設(shè)計(jì)），評(píng)估該設(shè)計(jì)（評(píng)估其性能），并根據(jù)對(duì)該樣本和之前抽取的任何樣本的評(píng)估結(jié)果，決定下一個(gè)樣本的位置。這種設(shè)計(jì)循環(huán)一直持續(xù)到獲得性能足夠好的設(shè)計(jì)，或者確定付出更多努力也不可能獲得更好的設(shè)計(jì)為止。