การออกแบบหุ่นยนต์อัตโนมัติที่ปลอดภัย ชาญฉลาด และมีประสิทธิภาพ

หุ่นยนต์อัตโนมัติเป็นเครื่องจักรอัจฉริยะที่สามารถเข้าใจและนำทางผ่านสภาพแวดล้อมได้โดยปราศจากการควบคุมหรือการแทรกแซงของมนุษย์ แม้ว่าหุ่นยนต์อัตโนมัติ เทคโนโลยี หุ่นยนต์อัตโนมัติยังอายุน้อย มีกรณีการใช้งานที่แตกต่างกันมากมายในโรงงาน โกดัง เมือง และบ้านเรือน ตัวอย่างเช่น หุ่นยนต์อัตโนมัติสามารถใช้ในการขนส่งสินค้ารอบๆ คลังสินค้าได้ เช่น ใน รูป 1หรือดำเนินการส่งมอบไมล์สุดท้าย ในขณะที่หุ่นยนต์อิสระประเภทอื่นๆ สามารถดูดฝุ่นในบ้านหรือตัดหญ้าได้

รูปที่ 1: หุ่นยนต์ดำเนินการงานในคลังสินค้า (ที่มา: Texas Instruments)

ความเป็นอิสระต้องการให้หุ่นยนต์สามารถตรวจจับและปรับทิศทางตัวเองได้ในสภาพแวดล้อมที่ทำแผนที่ ตรวจจับสิ่งกีดขวางรอบตัวแบบไดนามิก ติดตามสิ่งกีดขวางเหล่านั้น วางแผนเส้นทางเพื่อไปให้ถึงปลายทางที่กำหนด และควบคุมยานพาหนะให้ทำตามแผนนั้น นอกจากนี้ หุ่นยนต์ต้องทำงานเหล่านี้เมื่อทำได้อย่างปลอดภัยเท่านั้น หลีกเลี่ยงสถานการณ์ที่อาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อมนุษย์ ทรัพย์สิน หรือระบบอิสระ

ด้วยหุ่นยนต์ที่ทำงานใกล้ชิดกับมนุษย์มากกว่าที่เคยเป็นมา พวกมันจะต้องไม่เพียงแค่ทำงานอัตโนมัติ เคลื่อนที่ได้ และประหยัดพลังงานเท่านั้น แต่ยังต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในการใช้งานอีกด้วย เซ็นเซอร์ โปรเซสเซอร์ และอุปกรณ์ควบคุมสามารถช่วยให้นักออกแบบบรรลุข้อกำหนดที่เข้มงวดของมาตรฐานความปลอดภัยในการใช้งาน เช่น International Electrotechnical Commission (IEC) 61508

ข้อควรพิจารณาในการตรวจจับในหุ่นยนต์อัตโนมัติ

หุ่นยนต์ที่ไม่มีเซ็นเซอร์จะชนเข้ากับสิ่งกีดขวางอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ รวมถึงกำแพง หุ่นยนต์อื่นๆ หรือมนุษย์ และอาจส่งผลให้ได้รับบาดเจ็บสาหัส มีเซ็นเซอร์หลายประเภทที่สามารถช่วยแก้ปัญหาที่เกิดจากหุ่นยนต์ที่ทำงานอัตโนมัติได้

เซ็นเซอร์วิชันซิสเต็มจำลองการมองเห็นและการรับรู้ของมนุษย์อย่างใกล้ชิด ระบบการมองเห็นสามารถแก้ปัญหาความท้าทายของการโลคัลไลเซชัน การตรวจจับสิ่งกีดขวาง และการหลีกเลี่ยงการชน เนื่องจากมีการครอบคลุมเชิงพื้นที่ที่มีความละเอียดสูงและความสามารถไม่เพียงแต่ตรวจจับวัตถุแต่ยังจำแนกวัตถุเหล่านั้นด้วย วิชันเซนเซอร์ยังประหยัดค่าใช้จ่ายมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเซนเซอร์เช่น LiDAR อย่างไรก็ตาม วิชันเซนเซอร์นั้นใช้การคำนวณอย่างเข้มข้นมาก

หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ที่ใช้พลังงานมากและหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) อาจก่อให้เกิดความท้าทายในระบบหุ่นยนต์อัตโนมัติที่มีข้อจำกัดด้านพลังงาน เมื่อออกแบบระบบหุ่นยนต์ประหยัดพลังงาน การประมวลผลที่ใช้ CPU หรือ GPU ควรน้อยที่สุด

system-on-chip (SoC) ในระบบวิชันซิสเต็มควรประมวลผลห่วงโซ่สัญญาณวิชันซิสเต็มด้วยความเร็วสูงและใช้พลังงานต่ำ ด้วยต้นทุนระบบที่เหมาะสมที่สุด นอกจากนี้ SoC ยังต้องลดภาระงานที่ต้องใช้การคำนวณอย่างหนัก เช่น การประมวลผลภาพดิบ, การแยกส่วน, การประมาณความลึกสเตอริโอ, การปรับขนาด, การสร้างพีระมิดภาพ และการเรียนรู้เชิงลึกเพื่อประสิทธิภาพสูงสุดของระบบ SoC ที่ใช้สำหรับการประมวลผลด้วยภาพจะต้องฉลาด ปลอดภัย และประหยัดพลังงาน ซึ่งการผสานรวมบนชิปในระดับสูงในสถาปัตยกรรม SoC ที่แตกต่างกันสามารถทำได้

มาดูรายละเอียดเกี่ยวกับการใช้เรดาร์ตรวจจับคลื่นมิลลิเมตร (mmWave) ของ Texas Instruments (TI's) ในหุ่นยนต์อัตโนมัติกัน การใช้เรดาร์ TI mmWave ในการใช้งานหุ่นยนต์เป็นแนวคิดที่ค่อนข้างใหม่ แต่แนวคิดในการใช้การตรวจจับ TI mmWave สำหรับอิสระนั้นมีมาระยะหนึ่งแล้ว ในการใช้งานยานยนต์ เรดาร์ TI mmWave เป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) และถูกใช้เพื่อตรวจสอบสภาพแวดล้อมของรถ คุณสามารถใช้แนวคิด ADAS เดียวกัน เช่น การตรวจสอบด้วยมุมมองเซอร์ราวด์หรือการหลีกเลี่ยงการชน และนำไปใช้กับหุ่นยนต์อิสระ

เรดาร์ TI mmWave มีเอกลักษณ์เฉพาะจากมุมมองของเทคโนโลยีการตรวจจับ เนื่องจากเซ็นเซอร์เหล่านี้ให้ข้อมูลช่วง ความเร็ว และมุมของการมาถึงของวัตถุ และแนะนำให้หุ่นยนต์รู้วิธีนำทางเพื่อหลีกเลี่ยงการชน ใช้เรดาร์ เซ็นเซอร์ ข้อมูล หุ่นยนต์สามารถตัดสินใจว่าจะเดินต่อไปอย่างปลอดภัยหรือช้าลงหรือหยุดก็ได้ ขึ้นอยู่กับตำแหน่ง ความเร็ว และวิถีของบุคคลหรือวัตถุที่กำลังเข้าใกล้ ดังแสดงใน รูป 2.

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าเรดาร์ TI mmWave มองเห็นสภาพแวดล้อมในสามมิติ ซึ่งช่วยให้เซ็นเซอร์สามารถรับรู้วัตถุที่อาจไม่ได้โดยตรงในเส้นทางการขับขี่ของหุ่นยนต์ เนื่องจากความสามารถในการตรวจจับ 3 มิตินี้ เซ็นเซอร์เรดาร์ TI mmWave สามารถให้ข้อมูลความสูงเพิ่มเติมซึ่งมีความสำคัญไม่เพียงแต่ในการตรวจจับวัตถุที่วางอยู่บนพื้น แต่ยังรวมถึงวัตถุที่อาจยื่นออกมาในเส้นทางของหุ่นยนต์จากด้านบน

เซ็นเซอร์ TI mmWave ยังสามารถตรวจจับแก้วและวัสดุโปร่งใสอื่นๆ ได้อย่างน่าเชื่อถือ ซึ่งเซ็นเซอร์อื่นๆ เช่น กล้องและ LiDAR อาจ "มองเห็น" ผ่านวัตถุโปร่งใส และไม่สามารถตรวจจับได้อย่างแม่นยำ เรดาร์ TI mmWave ยังแข็งแกร่งกว่าในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย ซึ่งเซ็นเซอร์ออปติคัลมักจะมีปัญหามากกว่า เนื่องจากเรดาร์ TI mmWave ใช้คลื่นวิทยุแทนแสงในการตรวจจับวัตถุ จึงไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยแวดล้อม เช่น แสงน้อย ฝน หมอก ฝุ่น และควัน

รูปที่ 2: หุ่นยนต์คลังสินค้าใช้การตรวจจับเรดาร์ (ที่มา: Texas Instruments Inc.)

จัดการกับปัญหาหุ่นยนต์อัตโนมัติที่ซับซ้อนด้วยการรวมเซ็นเซอร์และ AI

สำหรับการใช้งานหุ่นยนต์อัตโนมัติที่ซับซ้อนมากขึ้น เซ็นเซอร์เพียงตัวเดียวอาจไม่เพียงพอต่อการเปิดใช้งานอิสระ โดยไม่คำนึงถึงประเภทของเซ็นเซอร์ รูปแบบการรับรู้ที่แตกต่างกันมีจุดแข็งและข้อจำกัดที่แตกต่างกัน

เรดาร์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับวัตถุและให้ระยะการมองเห็นที่ยาวนานในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย แต่มีข้อจำกัดในเรื่องการจำแนกวัตถุหรือความแม่นยำของขอบของวัตถุ เซ็นเซอร์ LiDAR สามารถให้ความแม่นยำและความแม่นยำ แต่อาจมีราคาแพงและใช้พลังงานมาก วิชันเซนเซอร์สามารถให้การจำแนกวัตถุและความฉลาดของฉากด้วยความละเอียดสูง แต่สามารถใช้การคำนวณอย่างเข้มข้นและต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงภายนอกในการทำงาน ในที่สุด เซ็นเซอร์ เช่น กล้องหรือเรดาร์ควรส่งเสริมซึ่งกันและกันในระบบ การใช้ประโยชน์จากจุดแข็งของรูปแบบเซ็นเซอร์ต่างๆ ผ่านการหลอมรวมของเซ็นเซอร์สามารถช่วยแก้ปัญหาความท้าทายของหุ่นยนต์อัตโนมัติที่ซับซ้อนมากขึ้นได้

แม้ว่าการรวมเซ็นเซอร์จะช่วยให้หุ่นยนต์ที่ทำงานอัตโนมัติมีความแม่นยำมากขึ้น การใช้ปัญญาประดิษฐ์ที่ขอบสามารถช่วยทำให้หุ่นยนต์ฉลาดขึ้นได้ การผสมผสาน AI เข้ากับระบบหุ่นยนต์อัตโนมัติสามารถช่วยให้หุ่นยนต์สามารถรับรู้ ตัดสินใจ และดำเนินการได้อย่างชาญฉลาด

หุ่นยนต์อิสระที่มี AI สามารถตรวจจับวัตถุและตำแหน่งของวัตถุได้อย่างชาญฉลาด จำแนกวัตถุ และดำเนินการตามนั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อหุ่นยนต์กำลังนำทางในโกดังที่พลุกพล่าน AI สามารถช่วยหุ่นยนต์อนุมานว่าวัตถุประเภทใด รวมถึงมนุษย์ กล่อง เครื่องจักร หรือแม้แต่หุ่นยนต์อื่นๆ ที่อยู่ในเส้นทางของมัน และตัดสินใจว่าการกระทำใดเหมาะสมที่จะนำทางไปรอบๆ

AI ยังสามารถช่วยให้หุ่นยนต์ทำงานเฉพาะอย่างเป็นอิสระมากขึ้น ตัวอย่างเช่น หากหุ่นยนต์กำลังเคลื่อนย้ายดอลลี่ไปรอบๆ คลังสินค้า AI ที่ใช้การมองเห็นจะช่วยให้หุ่นยนต์ตรวจจับและสรุปท่าทางและตำแหน่งของดอลลี่ เพื่อให้หุ่นยนต์สามารถวางตำแหน่งตัวเองได้อย่างแม่นยำ แนบไปกับดอลลี่ จากนั้นจึงเคลื่อนย้าย รอบพื้นโกดัง

เมื่อออกแบบระบบหุ่นยนต์ที่รวม AI เข้าด้วยกัน ควรพิจารณาการออกแบบสำหรับทั้งฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ ตามหลักการแล้ว SoC ควรมีตัวเร่งฮาร์ดแวร์สำหรับฟังก์ชัน AI เพื่อช่วยทำงานที่ต้องใช้การคำนวณอย่างหนักในแบบเรียลไทม์ การเข้าถึงสภาพแวดล้อมการพัฒนาซอฟต์แวร์ AI ที่ใช้งานง่ายสามารถช่วยให้การพัฒนาแอปพลิเคชันและกระบวนการปรับใช้ฮาร์ดแวร์ง่ายขึ้นและเร็วขึ้น

สรุป

การออกแบบหุ่นยนต์ที่ชาญฉลาดและเป็นอิสระมากขึ้นมีความจำเป็นต่อการปรับปรุงระบบอัตโนมัติต่อไป หุ่นยนต์สามารถใช้ในคลังสินค้าและการจัดส่งเพื่อให้ทันและเพิ่มการเติบโตของอีคอมเมิร์ซ หุ่นยนต์สามารถทำงานบ้านทั่วไป เช่น ดูดฝุ่นและตัดหญ้า การใช้หุ่นยนต์อัตโนมัติช่วยปลดล็อกประสิทธิภาพและประสิทธิผลที่ช่วยปรับปรุงและเพิ่มมูลค่าให้กับชีวิตของเรา

เกี่ยวกับผู้แต่ง

Manisha Agrawal เป็นวิศวกรการตลาดผลิตภัณฑ์สำหรับสายผลิตภัณฑ์โปรเซสเซอร์ Jacinto เธอมีประสบการณ์หลายปีในการประมวลผลสัญญาณภาพแบบ end-to-end บน TI SoC ผ่านบทบาทที่หลากหลายในด้านซอฟต์แวร์ แอปพลิเคชัน และวิศวกรรมระบบ จุดสนใจและความสนใจล่าสุดของเธออยู่ที่ AI และหุ่นยนต์ Manisha สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทด้านวิศวกรรมไฟฟ้าจาก IIT Kanpur ประเทศอินเดีย และถือสิทธิบัตรสามฉบับในชื่อของเธอ

Jitin George เป็นวิศวกรการตลาดผลิตภัณฑ์สำหรับเซ็นเซอร์เรดาร์ mmWave ระดับอุตสาหกรรมที่ Texas Instruments ตั้งแต่ปี 2019 เขาได้เป็นผู้นำด้านการตลาดทั่วโลกสำหรับเรดาร์อุตสาหกรรมในระบบอัตโนมัติในโรงงาน โดยมุ่งเน้นเฉพาะที่การเติบโตของธุรกิจในตลาดหุ่นยนต์

Sam Visalli เป็นผู้จัดการระบบสำหรับสายผลิตภัณฑ์ Sitara MCU แซมใช้เวลาหลายปีที่ผ่านมาทำงานเป็นผู้จัดการความปลอดภัยด้านการทำงานของกลุ่มผลิตภัณฑ์โปรเซสเซอร์ Jacinto และ Sitara เขาได้ช่วย TI ออกแบบผลิตภัณฑ์และระบบสำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัยที่หลากหลาย เช่น การขับขี่อัตโนมัติ ระบบอัตโนมัติในโรงงาน และวิทยาการหุ่นยนต์ แซมยังทำหน้าที่ในคณะกรรมการของสหรัฐอเมริกาสำหรับมาตรฐานความปลอดภัยในการทำงาน IEC61508 และ ISO26262 และทำงานร่วมกับความคิดริเริ่มด้านความปลอดภัยในการใช้งานของ TI หลายรายการ

เกี่ยวกับ Texas Instruments