機(jī)器人操作系統(tǒng)新發(fā)展

本刊記者/宋慧欣

機(jī)器人操作系統(tǒng)新發(fā)展

本刊記者/宋慧欣

首都師范大學(xué)輕型工業(yè)機(jī)器人和安全驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室副主任 邵振洲博士

邵振洲，首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院副研究員，博士，“輕型工業(yè)機(jī)器人與安全驗(yàn)證”北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，主要研究領(lǐng)域包括模塊化機(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能和人機(jī)交互安全等。目前是中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)專(zhuān)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化ISO/TC 184/SC 2/WG 10委員會(huì)委員，參與起草制定國(guó)家機(jī)器人相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。作為第一起草人，已完成制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《面向多核處理器的機(jī)器人實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)》。

操作系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域的作用類(lèi)似智能手機(jī)領(lǐng)域的Android和iOS操作系統(tǒng)。當(dāng)前機(jī)器人主流操作系統(tǒng)ROC能夠提供類(lèi)似傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的諸多功能，如硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用功能實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程間消息傳遞和程序包管理等。雖然被廣泛采用，但其卻存在實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證等問(wèn)題。對(duì)于致力機(jī)器人產(chǎn)品自主創(chuàng)新的中國(guó)來(lái)說(shuō)，如果能搶占機(jī)器人操作系統(tǒng)高地，將對(duì)我國(guó)智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。借此次專(zhuān)題之機(jī)，本刊記者特別采訪了首都師范大學(xué)輕型工業(yè)機(jī)器人和安全驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室副主任邵振洲博士，介紹其團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)研究方面所取得的成果。

《自動(dòng)化博覽》：請(qǐng)談?wù)勀鷮?duì)于當(dāng)前中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的看法？

邵振洲：相比于機(jī)器人四大家族等國(guó)際知名企業(yè)，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)規(guī)模仍然不大，多數(shù)處于小批量生產(chǎn)階段，關(guān)鍵零部件大多依賴進(jìn)口，導(dǎo)致機(jī)器人性價(jià)比低，制約了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成和實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的發(fā)展。近年來(lái)，在產(chǎn)業(yè)政策的激勵(lì)和市場(chǎng)需求的帶動(dòng)下，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，很多新的機(jī)器人企業(yè)涌現(xiàn)出來(lái)。相信隨著我國(guó)零部件制造工藝的不斷進(jìn)步，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力將進(jìn)一步提高。

《自動(dòng)化博覽》：當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域面臨著哪些挑戰(zhàn)？

邵振洲：當(dāng)前機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)除了國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵零部件的研制以外，從技術(shù)角度講，人機(jī)協(xié)作的安全性和智能性是新一代工業(yè)機(jī)器人面臨的主要挑戰(zhàn)。提高機(jī)器人的安全性，可以真正讓人和機(jī)器人共享工作空間，協(xié)同工作，提高生產(chǎn)效率。另外，提高機(jī)器人的智能化水平，自動(dòng)識(shí)別環(huán)境變化，減少對(duì)人的依賴，是未來(lái)機(jī)器人應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。

《自動(dòng)化博覽》：機(jī)器人操作系統(tǒng)對(duì)于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展具有怎樣的重要意義？

邵振洲：機(jī)器人操作系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域的作用類(lèi)似智能手機(jī)領(lǐng)域的Android和iOS操作系統(tǒng)，如能盡早部署，保持與國(guó)外同步，將對(duì)我國(guó)智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。在未來(lái)機(jī)器人時(shí)代，我國(guó)不能重走PC和智能手機(jī)時(shí)代的老路，必須在發(fā)展前期高度重視機(jī)器人操作系統(tǒng)核心技術(shù)的研發(fā)。另外，機(jī)器人操作系統(tǒng)提供了一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)，更多用戶可以基于這個(gè)平臺(tái)去研究和驗(yàn)證機(jī)器人算法以及開(kāi)發(fā)機(jī)器人應(yīng)用等，能很大程度上促進(jìn)機(jī)器人軟件技術(shù)的發(fā)展。

《自動(dòng)化博覽》：當(dāng)前機(jī)器人操作系統(tǒng)存在哪些問(wèn)題？

邵振洲：當(dāng)前的機(jī)器人操作系統(tǒng)主要存在兩大問(wèn)題：

(1) 實(shí)時(shí)性問(wèn)題。目前流行的機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS實(shí)時(shí)性不高，只能用于機(jī)器人的環(huán)境建模、目標(biāo)識(shí)別和任務(wù)規(guī)劃等非實(shí)時(shí)任務(wù)，不能直接應(yīng)用于實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，這在很大程度上限制了ROS的實(shí)際應(yīng)用。

(2) 系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證問(wèn)題。機(jī)器人操作系統(tǒng)是個(gè)龐大的軟件系統(tǒng)，目前ROS缺乏有效的測(cè)試和驗(yàn)證手段。使用傳統(tǒng)的測(cè)試和仿真方法，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完備的驗(yàn)證。

《自動(dòng)化博覽》：您團(tuán)隊(duì)研發(fā)的機(jī)器人實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有哪些創(chuàng)新性？

邵振洲：我們團(tuán)隊(duì)先后與美國(guó)田納西大學(xué)Tan Jindong教授、北京航空航天大學(xué)魏洪興教授、遨博（北京）智能科技有限公司合作，針對(duì)前面提到的兩個(gè)問(wèn)題，主要做了兩方面工作：(1) 在目前主流的機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造和二次開(kāi)發(fā)，創(chuàng)新性地提出“多核異構(gòu)”的實(shí)時(shí)ROS構(gòu)架，在保留ROS現(xiàn)有豐富軟件資源的同時(shí)，解決ROS的實(shí)時(shí)應(yīng)用難題。(2) 采用軟件測(cè)試仿真、物理平臺(tái)測(cè)試和形式化驗(yàn)證三位一體的測(cè)試驗(yàn)證方法，充分保證機(jī)器人操作系統(tǒng)的可靠性。目前，在首都師范大學(xué)關(guān)永教授的帶領(lǐng)下，我們團(tuán)隊(duì)已完成了機(jī)器人實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（通信協(xié)議、實(shí)時(shí)性等）、雙臂機(jī)器人避免碰撞算法和機(jī)器人路徑規(guī)劃算法等安全驗(yàn)證，形式化驗(yàn)證分析和工具研制達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

《自動(dòng)化博覽》：機(jī)器人實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)于機(jī)器人產(chǎn)品的提升將體現(xiàn)在哪些方面？

邵振洲：我認(rèn)為機(jī)器人實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)于機(jī)器人產(chǎn)品的提升將主要體現(xiàn)在如下方面：

(1) 建立面向多核處理器的機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)架構(gòu)，使ROS的任務(wù)控制周期由原有的10ms量級(jí)提高到1ms量級(jí)，以滿足機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制需求；

(2) 提出適用于機(jī)器人多核操作系統(tǒng)的形式化驗(yàn)證建模的理論方法，建立機(jī)器人多核操作系統(tǒng)的形式化驗(yàn)證定理證明庫(kù)，為機(jī)器人多核操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件提供綜合的形式化驗(yàn)證平臺(tái)。

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芮研機(jī)器人技術(shù)：

淺析2016年工業(yè)機(jī)器軟件發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器人應(yīng)用正在擴(kuò)展到越來(lái)越多的行業(yè)，包括3D打印、農(nóng)業(yè)、裝配、建筑、電子、物流和倉(cāng)儲(chǔ)、生產(chǎn)制造、醫(yī)藥、采礦以及運(yùn)輸?shù)群芏嘈袠I(yè)都能看到機(jī)器人的身影。

機(jī)器人控制器變得越來(lái)越小，也不再那么封閉；甚至連可編程邏輯控制器（PLC）、可編程自動(dòng)化控制器（PAC）、工業(yè)PC（IPC）、PC、嵌入式控制器以及來(lái)自于非機(jī)器人生產(chǎn)制造商的運(yùn)動(dòng)控制器都能控制機(jī)器人。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得不同廠商的機(jī)器人和系統(tǒng)之間的通訊與協(xié)作更加容易，正逐步向智能工廠、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、工業(yè)4.0框架推進(jìn)。以下10種方式，可以使機(jī)器人軟件和機(jī)器人編程變得更容易：

（1）人工智能的應(yīng)用，使得歷史行為或下載的歷史數(shù)據(jù)，可以幫助機(jī)器人更快地適應(yīng)新的工況。

（2）越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)定，被集成到機(jī)器人內(nèi)部或周邊，這樣可以確保不會(huì)引入惡意代碼或者防止未經(jīng)授權(quán)的遠(yuǎn)程控制。

（3）代表特定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的功能塊，可以由軟件供應(yīng)商提供，并由最終用戶、原始設(shè)備制造商、機(jī)器安裝人員或系統(tǒng)集成商做進(jìn)一步擴(kuò)展。

（4）交互式感知輸入和指令，可以來(lái)自終端執(zhí)行器（工具或操作器）、傳感器和其它設(shè)備與系統(tǒng)。機(jī)器視覺(jué)或射頻識(shí)別芯片嵌入到工具中，可以增加自動(dòng)化操作、預(yù)防差錯(cuò)、提高質(zhì)量，同時(shí)還具有感知和補(bǔ)償工具磨損的能力。

（5）開(kāi)源程序 ，使得軟件可以在由不同廠家生產(chǎn)的機(jī)器人上使用。

（6）Move-to-teach功能，使得某些機(jī)器人在引導(dǎo)下沿著特定線路前進(jìn)，并在行進(jìn)線路上學(xué)習(xí)。在行進(jìn)的過(guò)程中，機(jī)器人可能會(huì)詢問(wèn)什么時(shí)間或A到C路徑是否可接受，而不是機(jī)械地選擇從A到B再到C。

（7）利用仿真軟件，在軟件中模擬機(jī)器人及其環(huán)境，可以在真正實(shí)施或采購(gòu)前，對(duì)終端執(zhí)行器、多個(gè)機(jī)器人或機(jī)器的組合、安全部件、任務(wù)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)以及運(yùn)行，進(jìn)行完整的測(cè)試；

（8）從設(shè)計(jì)到運(yùn)行，都可以以一種統(tǒng)一的流程，利用通用編程軟件導(dǎo)入或使用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)則。

（9）無(wú)線示教器，比有線的人機(jī)接口提供更多的移動(dòng)性能。某些機(jī)器人軟件可用于商業(yè)筆記本電腦。

（10）不需要寫(xiě)代碼，根據(jù)流程圖的下拉菜單、填寫(xiě)框以及提示信息，通過(guò)向?qū)б徊揭徊絹?lái)指導(dǎo)機(jī)器人使用者，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程就可完成設(shè)置。