高荷重自主運載機器人技術發展趨勢
摘要：本文探討高荷重自主運載機器人的應用領域和特點並敘述高荷重自主運載機器人相對於一般自主移動機器人所面臨的開發技術與市場挑戰。文中討論高荷重自主運載機器人的類型，並說明一般在自主移動機器人上常見的驅動輪樣式在高荷重自主運載機器人應用的侷限，進而再探討適合的驅動模組及運動控制的挑戰。最後，本文整理了幾種市面上的高荷重自主運載機器人並闡述多台機器人串並聯的概念與在開發過程中需要不同專業團隊合作的必要性並舉例試算自主運載機器人若能進入港口貨櫃搬運業務的市場產值。
Abstract：This article discusses the applications and features of high payload autonomous mobile robots, as well as the development technology and market challenges they face compared to general autonomous mobile robots. Two types of high payload autonomous mobile robots are explored, highlighting the limitations of common wheel configurations used in general autonomous mobile robots for high payload applications. Furthermore, the challenges related to suitable drive modules and motion control are discussed. Finally, the article summarizes several products available in the market and elaborates on the concept of robots coupling operation. The importance of collaboration among different professional teams during the development process is emphasized, and an example is provided to estimate the market value of autonomous mobile robots in the container handling at Kaohsiung ports.
關鍵詞：高荷重、自主移動機器人、智慧物流
Keywords：High payload, Autonomous mobile robot, Intelligent logistics
前言
自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot, AMR)是指具備感測、避障導航與移動能力自主性的機器人系統。相較於AGV(Automated Guided Vehicle)是依賴預先設置的導引路線(如：磁軌、反光條……等)進行移動，自主移動機器人具有更高的適應能力和靈活性，可以根據不同環境和場域進行自主避障與移動。自主移動機器人應用範圍廣泛，在製造業中自主移動機器人能夠協助產線的原物料與工件搬運；在物流和倉儲方面，自主移動機器人能夠實現貨物分撿、搬運等，大幅減少人力成本和提升作業效率。而近年來因為相關技術發展成熟、勞動力人口減少加上新冠疫情的大幅影響，自主移動機器人正在快速進入到我們的生活，舉凡餐飲業、賣場、醫療院所、大眾運輸場所等皆可以見到自主移動機器人的蹤跡。
高荷重自主運載機器人
高荷重自主運載機器人可以稱為是自主移動機器人的一種，目前對於高荷重自主運載機器人並沒有明確的規範，在本文的探討中我們將其定義為荷重(payload)大於(包含)兩公噸且主要功能為執行搬運任務的自主移動機器人。此種機器人的主要特點是其能夠處理重量較大的負載，所以能將自主移動機器人的應用延伸至鋼鐵、造船、石化等重工製造業或大型貨物物流、建築業、港口、機場等領域。
市面上關於自主移動機器人的產品與公司如雨後春筍，但大部分為集中在一百公斤至一公噸荷重的自主移動機器人。而投入高荷重自主運載機器人的公司相較稀少，主要的原因評估有以下幾點：一、應用端大多為資本密集的產業，一般公司不易打入其供應鏈。二、高荷重自主運載機器人的技術難度較高，除了機械結構設計需乘載大重量以外，相較於輕型的機器人，因為其車體尺寸、慣性等物理量也必然較大造成運動控制與保持精度的難度，而運動與精度的控制是自主移動機器人是否能展現能執行自主運載、自主充電等任務的重要關鍵之一。另外，因應高荷重需求與車體尺寸，需要應用特殊的驅動模組，這也更加提高了開發門檻。
目前市面上較為常見荷重超過兩公噸的自主移動機器人有兩種類型：堆高機(又常稱為叉車)形式與潛遁形式。堆高機形式即為無人操控，自主執行搬運任務的堆高機；而潛遁形式即為機器人移動到乘載貨物底下，利用頂升機構或其他方式承載貨物進行搬運任務。堆高機形式的機器人因為先天結構限制，在相同荷重規格和承載尺寸下，所面臨的操作空間限制、安全考量會比潛遁形式來得多，而市面上所看到荷重超過兩公噸的運載機器人確實也是以潛遁形式為主，所以此篇文章主要討論潛遁形式的高荷重自主運載機器人，接下來皆以高荷重自主運載機器人稱之。
一般常看到在自主移動機器人上所配置的中置雙差動輪如圖1，有著結構單純、成本較低、運動控制簡單等優點，但高荷重自主運載機器人因為其車體龐大與慣量大的原因，這種配置並不適用，因為此種配置在轉彎時需要車體最大尺寸的旋轉半徑和需要抵抗啟動與停止時的大慣性。另外因爲可產生全向運動的特性，麥克納姆輪(Mecanum wheel)也廣泛地被使用在移動機器人上，這種驅動輪可讓機器人具有靈活的運動軌跡，場域空間的限制較沒這麼大，但因為此種運動方式的原理是利用輪組間的摩擦力來合成分力產生各種運動方向的結果，所以在輪子上的消耗快速與使用地面需有一定程度的要求，而高荷重自主運載機器人的大重量與應用產業通常環境較為惡劣，地面的平整度與材質通常難以要求，這些特性更凸顯了以上所述麥克納姆輪的劣勢。
綜合以上所述，因應高荷重自主運載機器人的特性與應用場域，在設計上通常會採用舵輪模組來作為驅動系統的動力單元。舵輪模組整合了驅動馬達、轉向馬達、轉向與減速機構等，通常也整合懸吊系統以保持驅動輪對地面的接觸力。而因為在一個模組當中要整合這麼多電機零件與機構件，在產生足夠動力輸出與荷重之下又要考量設計的緊湊性(compact)與可靠度，所以舵輪的設計開發實為高荷重自主運載機器人的一大技術門檻。另外，除了舵輪模組本身的技術難度，為了實現機器人的全向運動，如何控制各舵輪以達到依據需求路徑移動亦為此機器人開發上的關鍵技術，圖2提供四組舵輪配置之下不同的舵輪操控姿態，各姿態可達成不同的移動方向與轉向策略。
另外，因為機器人荷重愈高乘載輪組需求數量愈多的現象，造成舵輪的數量不只是如圖2所示意的四組，更常見的可能為六組、八組甚至更多。如何在這麼多組舵輪的配置下進行複雜的運動控制策略與保持多組驅動伺服的協調與同動也是同樣需要面對的技術挑戰。
圖1中置雙差動輪配置與其旋轉半徑
圖2各種舵輪操控姿態
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