แกะหมดเปลือก Kiva Systems หุ่นยนต์ในคลังสินค้า Amazon

kiva-teardown-cover

ในบรรดาระบบหุ่นยนต์ที่มีใช้งานอยู่ในปัจจุบัน Kiva Systems เป็นระบบหุ่นยนต์ที่มีความน่าสนใจและน่าประทับใจมากระบบหนึ่ง ทั้งในประเด็นทางเทคนิค ประเด็นทางการใช้งาน และในแง่ธุรกิจ น่าสนใจขนาดไหน ก็ขนาดที่ Amazon ซื้อ Kiva Systems ซื้อไปในมูลค่ามหาศาล และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในศูนย์กระจายสินค้าของ Amazon ได้มากทีเดียว เมื่อไม่นานมานี้มีผู้ได้แกะหุ่นยนต์ของ Kiva ออกมา การออกแบบน่าสนใจมากทีเดียว ลองไปดูไส้ใน Kiva กันดีกว่า

หุ่นยนต์ Kiva ทำหน้าที่ช่วยขนส่งสินค้าในศูนย์กระจายสินค้า (Distribution Center) คลังสินค้าแบบดั้งเดิมจะใช้คนจำนวนมากในการเดินไปหยิบของตามชั้นเพื่อหยิบสินค้ามาจัด ซึ่งเป็นงานที่เสียค่าแรงมหาศาล ไม่มีประสิทธิภาพ และเสี่ยงต่อความผิดพลาด ศูนย์กระจายสินค้าสมัยใหม่บางที่ใช้หุ่นยนต์ในวิ่งพาพนักงานไปหยิบของตามชั้น เพื่อลดเวลาและความผิดพลาด แต่ระบบของ Kiva Systems นั้นคิดต่างออกไป คือ แทนที่จะพาคนไปหาของ Kiva Systems พาของมาหาคน

ระบบ Kiva Systems จะใช้หุ่นยนต์จำนวนมากวิ่งไปยกชั้นวางสินค้าที่ออกแบบมาพิเศษ มี QR code ติดอยู่ด้านใต้ให้หุ่นยนต์ตรวจสอบว่าถูกชั้นหรือไม่ จากนั้นนำชั้นสินค้ามายังพื้นที่บรรจุสินค้าที่มีพนักงานรออยู่ ในการวิ่งไปตามพื้นที่ของศูนย์กระจายสินค้าหุ่นยนต์จะคอยอ่าน QR code บนพื้นเพื่อตรวจสอบว่าหุ่นยนต์อยู่ตำแหน่งใดในพื้นที่ ที่บริเวณบรรจุสินค้าจะมีระบบที่คอยชี้เลเซอร์ไปยังสินค้าบนชั้นที่ยกมา พนักงานจะหยิบสินค้ามาบรรจุตามคำสั่งนั้น ๆ ทั้งหมดนี้มีซอฟต์แวร์ที่ชาญฉลาดคอยสั่งการหุ่นยนต์จำนวนมากอยู่เบื้องหลัง

ไม่นานมานี้ Ben Einstein ได้มีโอกาสแกะหุ่นยนต์ Kiva รุ่นเก่าที่หมดอายุการใช้งานแล้ว และนำมาเผยแพร่ การออกแบบทางกลของหุ่นยนต์ Kiva นั้นน่าสนใจทีเดียว

kiva-teardown

โครงสร้าง

ชิ้นส่วนโครงสร้างต่าง ๆ ของ Kiva ผลิตจากอลูมิเนียมอัลลอย 319 หล่อ และ machine เพิ่มเติมเพื่อเก็บผิว เจาะรู ทำเกลียว โครงด้านนอกทำจาก ABS ขึ้นรูปด้วยกระบวนการ vacuum forming และ machine เพิ่มเติม

kiva-aluminium-alloy

กลไกเคลื่อนที่

หุ่นยนต์ Kiva ใช้การเคลื่อนที่แบบ differential drive แต่ละล้อขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (brushless DC motor) Pittman กำลัง 1 กิโลวัตต์ ต่อผ่านชุดเฟือง Brother อัตราทด 25:1 ไปยังล้อที่ทำขึ้นมาเฉพาะ ที่ด้านหน้าและหลังมีล้อเป็น (caster) คอยประคองอยู่ โดย caster ด้านหนึ่งมีระบบกันสะเทือนอยู่เพื่อให้ล้อทั้งหมดแตะพื้น

kiva-drivetrain

kiva-suspension1

kiva-suspension2

กลไกยกของ

หุ่นยนต์ Kiva จะต้องยกเคลื่อนย้ายชั้นสินค้า ซึ่งแต่ละชั้นอาจหนักถึง 500 กิโลกรัม กลไกที่ใช้ยกชั้นในแนวดิ่งคือ ball screw ที่ออกแบบขึ้นพิเศษ ขับเคลื่อนโดยมอเตอร์รุ่นเดียวกับที่ใช้ขับล้อ สิ่งที่น่าสนใจคือ การใช้ ball screw ยกของจะทำให้ของหมุนไปด้วย วิธีแก้ของ Kiva คือการใช้ล้อขับหมุนตัวในทิศตรงข้าม เพื่อให้ชั้นเคลื่อนที่ขึ้นตรง ๆ ไม่หมุน

kiva-lifter

kiva-ballscrew

เซนเซอร์กันชน

หุ่นยนต์ Kiva มีเซนเซอร์กันชน 2 ชนิดทำงานร่วมกันเพื่อป้องกันอันตรายจากการวิ่งไปชนสิ่งกีดขวาง เซนเซอร์ชนิดแรกคือ เซนเซอร์วัดระยะด้วยแสงอินฟราเรด ซึ่งสามารถตรวจจับสิ่งกีดขวางได้ก่อนที่จะชน เซนเซอร์อีกชนิดคือ เซนเซอร์ตรวจจับการชนซึ่งออกแบบได้น่าสนใจมาก หุ่นยนต์อื่น ๆ ทั่วไปจะใช้สวิตช์ติดตั้งกับกันชนรอบ ๆ หุ่นยนต์ เมื่อกันชนไปชนกับสิ่งกีดขวาง สวิตช์จะถูกกด แต่เพื่อจะตรวจจับการชนในหลายทิศทางรอบ ๆ หุ่นยนต์ จะต้องมีสวิตช์จำนวนมาก และในกรณีที่หุ่นยนต์มีรูปทรงแปลก ๆ การออกแบบและติดตั้งกันชนเป็นเรื่องที่ยาก Kiva แก้ปัญหานี้โดยการติดท่อลมไว้รอบ ๆ ท่อลมมีความอ่อนนิ่มจึงโค้งเข้ากับรูปทรงหุ่นยนต์ได้ง่าย ท่อลมจะถูกอัดความดันเข้าไประดับหนึ่ง หากมีการชนเกิดขึ้น แรงดันในท่อจะเปลี่ยนไป ทำให้สามารถตรวจจับการชนได้

kiva-proximity-bumper

แหล่งพลังงาน

หุ่นยนต์ Kiva ได้พลังงานจากแบตเตอรี่กรดตะกั่ว (sealed lead acid battery) แรงดัน 12 โวลต์ ความจุ 28 แอมป์-ชั่วโมง อนุกรมกัน 4 ก้อนให้ได้แรงดัน 48 โวลต์ มีการติดตั้งเซนเซอร์วัดอุณหภูมิติดตั้งบริเวณแบตเตอรี่เพื่อป้องกันอุณหภูมิเกิน หุ่น Kiva มีช่องสำหรับต่อกับแท่นชาร์จไฟ เมื่อแบตเตอรี่อ่อน หุ่นยนต์จะวิ่งไปชาร์จไฟที่แท่นเองอัตโนมัติ

kiva-battery

กล้องระบุตำแหน่งหุ่นยนต์และตรวจสอบชั้น

หุ่น Kiva แต่ละตัวจะมีกล้อง 2 ตัว ตัวหนึ่งส่องลงพื้นเพื่ออ่าน QR code สำหรับระบุตำแหน่งตนเอง อีกตัวส่องขึ้นเพื่อแยกแยะและระบุชั้นที่จะยก ที่กล้องแต่ละตัวจะมี LED สีแดงช่วยส่องสว่างขณะจับภาพ ตัวประมวลผลภาพใช้ DSP (Digital Signal Processor) ชิป ADI ADSP-BF548

kiva-camera

ระบบอิเล็กทรอนิกส์

วงจรหลักของ Kiva มีวงจรควบคุมมอเตอร์ไร้แปรงถ่านถูกพัฒนาขึ้นจาก FPGA (Field-Programmable Gate Array) รับสัญญาณป้อนกลับจาก encoder และขับมอเตอร์ผ่าน FET (Field-Effect Transistor) ที่ต่อเป็น full-bridge ตัว FET ถูกติดบนโครงหุ่นเพื่อระบายความร้อน

kiva-electronics

วงจรรองทำหน้าที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่เหลือทั้งหมดเข้ากับวงจรหลัก ตั้งแต่ ชุดสื่อสารไร้สาย กล้อง ปุ่มหยุดฉุกเฉิน เซนเซอร์กันชน ชุดบริหารจัดการพลังงาน วงจรนี้ใช้หน่วยประมวลผลเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิต Freescale MPC5123 ความถี่ 400 MHz มี PowerPC เป็นระบบปฏิบัติการ

ชุดอุปกรณ์สื่อสารใช้ switch Mircel KSZ8993, router Soekris Engineering Net4526 และ WiFi  Winstron NeWeb CM9

นี่แค่กลไกก็ออกแบบได้น่าสนใจแล้ว ถ้าได้รู้ว่าซอฟต์แวร์บริหารการจัดการหุ่นยนต์ซึ่งเป็นหัวใจของระบบนี้ทำงานอย่างไรจะเยี่ยมยอดมาก

ภาพและที่มา Robohub

LINE it!