机器人操作系统新发展

本刊记者/宋慧欣

机器人操作系统新发展

本刊记者/宋慧欣

首都师范大学轻型工业机器人和安全验证实验室副主任 邵振洲博士

邵振洲，首都师范大学信息工程学院副研究员，博士，“轻型工业机器人与安全验证”北京市重点实验室副主任，主要研究领域包括模块化机器人、计算机视觉、人工智能和人机交互安全等。目前是中国国家标准化管理委员会专家和国际标准化ISO/TC 184/SC 2/WG 10委员会委员，参与起草制定国家机器人相关标准。作为第一起草人，已完成制定国家标准《面向多核处理器的机器人实时操作系统应用架构》。

操作系统在机器人领域的作用类似智能手机领域的Android和iOS操作系统。当前机器人主流操作系统ROC能够提供类似传统操作系统的诸多功能，如硬件抽象、底层设备控制、常用功能实现、进程间消息传递和程序包管理等。虽然被广泛采用，但其却存在实时性和系统可靠性验证等问题。对于致力机器人产品自主创新的中国来说，如果能抢占机器人操作系统高地，将对我国智能机器人产业的发展具有重大战略意义。借此次专题之机，本刊记者特别采访了首都师范大学轻型工业机器人和安全验证实验室副主任邵振洲博士，介绍其团队在机器人实时操作系统研究方面所取得的成果。

《自动化博览》：请谈谈您对于当前中国工业机器人产业发展现状的看法？

邵振洲：相比于机器人四大家族等国际知名企业，我国工业机器人的生产规模仍然不大，多数处于小批量生产阶段，关键零部件大多依赖进口，导致机器人性价比低，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。近年来，在产业政策的激励和市场需求的带动下，我国工业机器人产业得到快速发展，很多新的机器人企业涌现出来。相信随着我国零部件制造工艺的不断进步，国产机器人在全球市场的竞争力将进一步提高。

《自动化博览》：当前机器人领域面临着哪些挑战？

邵振洲：当前机器人面临的挑战除了国产关键零部件的研制以外，从技术角度讲，人机协作的安全性和智能性是新一代工业机器人面临的主要挑战。提高机器人的安全性，可以真正让人和机器人共享工作空间，协同工作，提高生产效率。另外，提高机器人的智能化水平，自动识别环境变化，减少对人的依赖，是未来机器人应用中面临的挑战。

《自动化博览》：机器人操作系统对于机器人技术发展具有怎样的重要意义？

邵振洲：机器人操作系统在机器人领域的作用类似智能手机领域的Android和iOS操作系统，如能尽早部署，保持与国外同步，将对我国智能机器人产业的发展具有重大战略意义。在未来机器人时代，我国不能重走PC和智能手机时代的老路，必须在发展前期高度重视机器人操作系统核心技术的研发。另外，机器人操作系统提供了一个统一的机器人开发平台，更多用户可以基于这个平台去研究和验证机器人算法以及开发机器人应用等，能很大程度上促进机器人软件技术的发展。

《自动化博览》：当前机器人操作系统存在哪些问题？

邵振洲：当前的机器人操作系统主要存在两大问题：

(1) 实时性问题。目前流行的机器人操作系统ROS实时性不高，只能用于机器人的环境建模、目标识别和任务规划等非实时任务，不能直接应用于实时运动控制，这在很大程度上限制了ROS的实际应用。

(2) 系统可靠性验证问题。机器人操作系统是个庞大的软件系统，目前ROS缺乏有效的测试和验证手段。使用传统的测试和仿真方法，无法对系统进行完备的验证。

《自动化博览》：您团队研发的机器人实时操作系统具有哪些创新性？

邵振洲：我们团队先后与美国田纳西大学Tan Jindong教授、北京航空航天大学魏洪兴教授、遨博（北京）智能科技有限公司合作，针对前面提到的两个问题，主要做了两方面工作：(1) 在目前主流的机器人操作系统ROS基础上，进行实时化改造和二次开发，创新性地提出“多核异构”的实时ROS构架，在保留ROS现有丰富软件资源的同时，解决ROS的实时应用难题。(2) 采用软件测试仿真、物理平台测试和形式化验证三位一体的测试验证方法，充分保证机器人操作系统的可靠性。目前，在首都师范大学关永教授的带领下，我们团队已完成了机器人实时操作系统（通信协议、实时性等）、双臂机器人避免碰撞算法和机器人路径规划算法等安全验证，形式化验证分析和工具研制达到国际领先水平。

《自动化博览》：机器人实时操作系统对于机器人产品的提升将体现在哪些方面？

邵振洲：我认为机器人实时操作系统对于机器人产品的提升将主要体现在如下方面：

(1) 建立面向多核处理器的机器人操作系统实时架构，使ROS的任务控制周期由原有的10ms量级提高到1ms量级，以满足机器人的实时控制需求；

(2) 提出适用于机器人多核操作系统的形式化验证建模的理论方法，建立机器人多核操作系统的形式化验证定理证明库，为机器人多核操作系统及应用软件提供综合的形式化验证平台。

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芮研机器人技术：

浅析2016年工业机器软件发展趋势

机器人应用正在扩展到越来越多的行业，包括3D打印、农业、装配、建筑、电子、物流和仓储、生产制造、医药、采矿以及运输等很多行业都能看到机器人的身影。

机器人控制器变得越来越小，也不再那么封闭；甚至连可编程逻辑控制器（PLC）、可编程自动化控制器（PAC）、工业PC（IPC）、PC、嵌入式控制器以及来自于非机器人生产制造商的运动控制器都能控制机器人。

网络技术的发展，使得不同厂商的机器人和系统之间的通讯与协作更加容易，正逐步向智能工厂、工业物联网（IIoT）、工业4.0框架推进。以下10种方式，可以使机器人软件和机器人编程变得更容易：

（1）人工智能的应用，使得历史行为或下载的历史数据，可以帮助机器人更快地适应新的工况。

（2）越来越多的网络安全规定，被集成到机器人内部或周边，这样可以确保不会引入恶意代码或者防止未经授权的远程控制。

（3）代表特定机器人运动的功能块，可以由软件供应商提供，并由最终用户、原始设备制造商、机器安装人员或系统集成商做进一步扩展。

（4）交互式感知输入和指令，可以来自终端执行器（工具或操作器）、传感器和其它设备与系统。机器视觉或射频识别芯片嵌入到工具中，可以增加自动化操作、预防差错、提高质量，同时还具有感知和补偿工具磨损的能力。

（5）开源程序 ，使得软件可以在由不同厂家生产的机器人上使用。

（6）Move-to-teach功能，使得某些机器人在引导下沿着特定线路前进，并在行进线路上学习。在行进的过程中，机器人可能会询问什么时间或A到C路径是否可接受，而不是机械地选择从A到B再到C。

（7）利用仿真软件，在软件中模拟机器人及其环境，可以在真正实施或采购前，对终端执行器、多个机器人或机器的组合、安全部件、任务、验证设计以及运行，进行完整的测试；

（8）从设计到运行，都可以以一种统一的流程，利用通用编程软件导入或使用机器人运动学规则。

（9）无线示教器，比有线的人机接口提供更多的移动性能。某些机器人软件可用于商业笔记本电脑。

（10）不需要写代码，根据流程图的下拉菜单、填写框以及提示信息，通过向导一步一步来指导机器人使用者，通过简单的编程就可完成设置。