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移動(dòng)機(jī)器人，如何靠AI起飛？

《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出，2025 年，我國將成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地。

隨著規(guī)劃戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，在機(jī)器人技術(shù)日新月異的今天，國產(chǎn)機(jī)器人成果豐碩，移動(dòng)機(jī)器人（AMR /AGV）作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中的重要角色之一，隨著倉儲(chǔ)物流行業(yè)的不斷發(fā)展和機(jī)器人技術(shù)的逐步成熟，正逐漸成為物料搬運(yùn)場(chǎng)景應(yīng)用中的主力軍。

無論是傳統(tǒng)的 AGV，還是新興的 AMR，盡管目前國內(nèi)外許多產(chǎn)品已能夠完成物料運(yùn)輸?shù)墓ぷ?，但面?duì)日益復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化應(yīng)用場(chǎng)景（如工業(yè)制造、倉庫、物流、戶外環(huán)境），企業(yè)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的智能化水平提出了更高的要求。復(fù)雜多變的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，要求機(jī)器人不僅能感知宏觀的運(yùn)動(dòng)與變化，更需具備靈活的避障以及導(dǎo)航能力，以應(yīng)對(duì)沖撞、實(shí)時(shí)定位等各種挑戰(zhàn)。

圖片來源：NVIDIA

為了推動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人向更全面智能化邁進(jìn)，AI 領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者——NVIDIA 也帶來了突破性的技術(shù)進(jìn)展。在今年 3 月份的 GTC 2024 上，NVIDIA 發(fā)布了為 AMR/AGV 開發(fā)的參考工作流——Isaac Perceptor，可為機(jī)器人提供先進(jìn)的視覺 AI 技術(shù)，助力企業(yè)快速構(gòu)建可在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中進(jìn)行感知、定位和操作的穩(wěn)健 AMR。這不僅向行業(yè)展示了 NVIDIA 在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域所帶來的創(chuàng)新成果，更預(yù)示著 NVIDIA 正引領(lǐng)著整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)，邁向技術(shù)革新與感知能力飛躍的新紀(jì)元。

專為移動(dòng)機(jī)器人量身定制，可實(shí)現(xiàn) 360° 視覺感知

高效感知是移動(dòng)機(jī)器人的核心競(jìng)爭(zhēng)力。移動(dòng)機(jī)器人在各行各業(yè)中的發(fā)展過程，本質(zhì)上是一個(gè)以智能化移動(dòng)機(jī)器人取代固定、機(jī)械生產(chǎn)方式的過程。因此，要想突破應(yīng)用的邊界，還需要進(jìn)一步強(qiáng)化“機(jī)器人”屬性，不斷提高其智能化水平。具體到實(shí)際應(yīng)用，移動(dòng)機(jī)器人除了要能夠自主行駛，還應(yīng)具備環(huán)境理解、適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境和準(zhǔn)確識(shí)別障礙物等高效感知的能力，為此，視覺技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的深入應(yīng)用至關(guān)重要。

NVIDIA 的 Isaac Perceptor 便是一套專為移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的硬件加速軟件包，它基于 NVIDIA Isaac 機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）構(gòu)建，憑借高精度多攝像頭感知、高效的AI加速、強(qiáng)大的VSLAM能力、實(shí)時(shí)的3D場(chǎng)景重建，以及高效的時(shí)間同步與仿真開發(fā)等特點(diǎn)，在移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。

仔細(xì)來看，Isaac Perceptor 最關(guān)鍵的功能便是多攝像頭和3D環(huán)繞視覺，它能夠以每秒 30Hz 的頻率處理每臺(tái)攝像頭高達(dá) 16.5M 個(gè)深度點(diǎn)。這種高密度的數(shù)據(jù)處理能力確保了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中能夠捕捉到更多細(xì)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的環(huán)境感知。通過來自立體攝像頭的時(shí)間同步圖像對(duì)，Isaac Perceptor 還能夠計(jì)算出立體視差，進(jìn)而生成深度圖像或點(diǎn)云。這一過程為機(jī)器人提供了豐富的三維空間信息，有助于其更好地理解和適應(yīng)環(huán)境。

其次，在 AI 加速方面，Isaac Perceptor集成了高效的半監(jiān)督深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ESS DNN），為基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的立體視差計(jì)算提供了GPU加速支持。這種加速能力使得機(jī)器人在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)能夠保持高效率，從而更快地做出決策和響應(yīng)。對(duì)于需要高精度路徑規(guī)劃的任務(wù)，開發(fā)者可以通過 GPU 加速的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器（如 cuMotion），顯著縮短周期時(shí)間，這種加速能力也使得機(jī)器人在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時(shí)能夠更加迅速。

ESS DNN 檢測(cè) 5 米處的障礙物（圖片來源：NVIDIA）

通過系統(tǒng)級(jí)的環(huán)境分析，快速在機(jī)器人系統(tǒng)中建立實(shí)時(shí)環(huán)境模型，也可助力機(jī)器人在充分理解環(huán)境的前提下自主規(guī)劃。Isaac Perceptor 具備強(qiáng)大的視覺同步定位和地圖繪制能力，基于NVIDIA CUDA Visual SLAM庫，Isaac Perceptor 可使機(jī)器人在無特征環(huán)境中也能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航，翻譯誤差小于 1%。

在最新的更新中，cuVSLAM 結(jié)合了來自多個(gè)立體攝像頭的并發(fā)視覺里程估計(jì)，顯著提高了導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，使用多個(gè)攝像頭的機(jī)器人能夠持續(xù)實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)航目標(biāo)，而使用單個(gè)攝像頭時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的幾率不到 25%。

Isaac ROS Visual SLAM 使用一個(gè)攝像頭與使用兩個(gè)攝像頭和四個(gè)攝像頭的比較

（圖片來源：NVIDIA）

Isaac Perceptor 的核心是 nvblox 庫，這是一個(gè)使用 CUDA 加速的 3D 場(chǎng)景重建庫。它能夠識(shí)別最遠(yuǎn)五米外的障礙物，以提供 2D 成本圖，并在 300 毫秒內(nèi)進(jìn)行更新。這種實(shí)時(shí)的3D場(chǎng)景重建能力為機(jī)器人提供了精確的環(huán)境模型，有助于其更好地進(jìn)行路徑規(guī)劃和避障。

使用 Isaac ROS nvblox 進(jìn)行體素 3D 重建，包括懸置障礙物重建

（圖片來源：NVIDIA）

此外，Isaac Perceptor 能夠在傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)間不超過 100 毫秒的情況下實(shí)現(xiàn)精確的多傳感器時(shí)間同步，確保了機(jī)器人能夠同時(shí)獲取到多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行準(zhǔn)確的融合處理。Isaac Perceptor 還提供了用于仿真開發(fā)的傳感器參考模型（在 NVIDIA Isaac Sim 中），這使得開發(fā)者能夠在虛擬環(huán)境中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，從而加快開發(fā)進(jìn)度并降低開發(fā)成本。

總之，Isaac Perceptor 基于 AI 的強(qiáng)大功能使得移動(dòng)機(jī)器人的視覺更敏銳、判斷更準(zhǔn)確、理解更深入，解決原來只有基于人類認(rèn)知才能解決的問題，使機(jī)器人可以快速切入各個(gè)場(chǎng)景大顯身手，安全隱患無處遁形。

科技實(shí)力盡顯，落地應(yīng)用大有可為

具體到應(yīng)用，NVIDIA Isaac Perceptor 適用于各種需要自主導(dǎo)航和感知能力的場(chǎng)景，包括但不限于倉儲(chǔ)物流、工業(yè)車間與醫(yī)院等。

現(xiàn)階段，移動(dòng)機(jī)器人市場(chǎng)仍屬于競(jìng)爭(zhēng)型市場(chǎng)，行業(yè)集中度正逐年提升，越來越多的倉儲(chǔ)設(shè)備/集成商也開始加大在移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品、技術(shù)等領(lǐng)域的布局。那么，在能聽到市場(chǎng)“炮火聲”的地方，企業(yè)更需進(jìn)行深度技術(shù)合作及開拓新應(yīng)用，不斷提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，這樣才能在市場(chǎng)中立于不敗之地。

NVIDIA Isaac Perceptor 的早期合作伙伴中既有倉儲(chǔ)/內(nèi)部物流行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)，也有汽車/工業(yè)機(jī)器人制造商和集成商，包括 ArcBest、比亞迪電子、Gideon、凱傲、Kudan、idealworks、RGo 和泰瑞達(dá)機(jī)器人。

今年6月份，RGo Robotics 就曾宣布將把 NVIDIA 的 Isaac 技術(shù)集成到其感知平臺(tái)中，為 AMR 提供更先進(jìn)的視覺功能。

RGo 表示，其感知引擎是一種用于定位、障礙物檢測(cè)和場(chǎng)景理解的人工智能和視覺系統(tǒng)，通過將其與 NVIDIA Isaac Perceptor 加速庫相結(jié)合，移動(dòng)機(jī)器人可以在新設(shè)施中快速設(shè)置，客戶由此可以在幾個(gè)月內(nèi)快速部署移動(dòng)機(jī)器人，并且在任何環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行它們。

圖片來源：RGo Robotics

汽車巨頭子公司比亞迪電子也表示正在利用NVIDIA Isaac Perceptor進(jìn)行全系列 AMR 的開發(fā)，并進(jìn)一步提出一套完整的工廠物流解決方案。

據(jù)了解，Isaac Perceptor 的多攝像頭 3D 環(huán)視功能為比亞迪電子 AMR 提供了強(qiáng)大的視覺感知能力，使其能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自主避障和導(dǎo)航。通過采用 NVIDIA Jetson Orin 高性能人工智能系統(tǒng)級(jí)模塊，尤其是激光雷達(dá)和視覺感知模塊，從而將激光雷達(dá)、IMU、輪速計(jì)等多傳感器融合技術(shù)結(jié)合，AMR 可達(dá)到在室內(nèi)大面積且復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度建圖和定位的強(qiáng)大能力，以此實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的物流作業(yè)。

通過應(yīng)用 NVIDIA Isaac Perceptor 技術(shù)開發(fā)的 AMR，比亞迪電子成功優(yōu)化了生產(chǎn)流程中的物流環(huán)節(jié)，AMR 的自主導(dǎo)航和精準(zhǔn)作業(yè)能力顯著提高了生產(chǎn)效率與安全性，也為企業(yè)大幅降低了生產(chǎn)成本。

此外，ArcBest 的 Vaux Smart Autonomy AMR 叉車和前移式卡車也使用了 Isaac Perceptor。集成相關(guān)技術(shù)后，機(jī)器人獲得了更好的感知、語義感知導(dǎo)航和 3D 映射，在倉庫、配送中心和制造設(shè)施的物料搬運(yùn)過程中，能夠順利進(jìn)行障礙物檢測(cè)。

圖片來源：ArcBest

客戶的體驗(yàn)和滿意度是企業(yè)的終極目標(biāo)，這些合作伙伴的成功案例進(jìn)一步證明了 Isaac Perceptor 在移動(dòng)機(jī)器人感知領(lǐng)域的卓越性能和廣闊應(yīng)用前景。值得注意的是，目前一些傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人主要使用 2D 激光雷達(dá)或 3D 激光雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，前者功能有限，無法看到的低洼危險(xiǎn)或懸掛物等障礙物，后者成本高昂，不利于企業(yè)進(jìn)行成本控制，而 Isaac Perceptor 通過提供基于多個(gè)攝像頭且不影響功能的解決方案，在大幅提高移動(dòng)機(jī)器人避障水平的同時(shí)，助力企業(yè)完美實(shí)現(xiàn)降本增效，這正是移動(dòng)機(jī)器人企業(yè)提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。

如今移動(dòng)機(jī)器人主要應(yīng)用于倉儲(chǔ)、產(chǎn)線中，但在智能制造時(shí)代，行業(yè)仍具有很大的想象空間，而 AI 技術(shù)將為移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)注入源源不斷的發(fā)展動(dòng)力。

從技術(shù)革新到行業(yè)應(yīng)用，再到生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)和用戶體驗(yàn)的改善，NVIDIA Isaac Perceptor 利用最先進(jìn)的生成式 AI 和仿真技術(shù)，正在為移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)帶來前所未有的技術(shù)革新，也預(yù)示著未來更多領(lǐng)域的自動(dòng)化和智能化可能性。未來，隨著 AI 技術(shù)的不斷進(jìn)步和行業(yè)的深入合作，NVIDIA 將持續(xù)在 AI 乃至機(jī)器人行業(yè)中扮演重要角色，對(duì)于 NVIDIA 而言，其對(duì)機(jī)器人市場(chǎng)的探索才剛剛開始。