協(xié)作機器人編程模塊化的需求如何滿足？

烏爾姆應用科技大學服務機器人研究中心正在開發(fā)一種模塊化軟件框架以便簡化機器人編程。此框架旨在提供通用軟件組件，例如，根據需要替換不同制造商的機械夾持臂，從而通過即插即用方式實現新機器人解決方案。烏爾姆大學的團隊依靠康佳特(congatec)具有高擴展性和標準化的嵌入式計算硬件來滿足需求。

如今的先進機器人大都是含有多個子系統(tǒng)的高度復雜結構。它們所用的機械手臂兩端裝有特定工具、夾持系統(tǒng)或測量儀器的各種軸和驅動裝置，例如：在取放應用中，還需其他傳感器系統(tǒng)，用來控制運動、識別物體和位置。隨著自動化、協(xié)作機器人的出現(與人類在同一工作區(qū)內工作)，任務數量與構建塊也大量增加。例如，在工業(yè)環(huán)境中對移動機器人進行定位和導航以及安全人機交互。在工業(yè)4.0環(huán)境中，也需要針對周圍機器和系統(tǒng)的M2M接口，其目標就是互相協(xié)調任務。各種類型的機器人(自動、合作、協(xié)作)均需要功能強大的軟件組件和高性能嵌入式系統(tǒng)。

1、智能機器人的極大市場需求

在未來幾年內，智能機器人的市場需求將大幅增長。例如，預計至2023年 ，自動機器人系統(tǒng)市場的年復合增長率將達到23.7%，協(xié)作機器人的新市場領域將增長兩倍(每年平均增長多達59%)。OEM廠商為了搭上這高市場增長的便車，承受著快速開發(fā)并在成熟市場中推出此類新系統(tǒng)的巨大壓力。但是，對于OEM廠商、系統(tǒng)集成商和用戶而言，軟件開發(fā)是一項極大挑戰(zhàn)。為了讓極其復雜的自動機器人解決方案變得相互協(xié)作和/或合作，必須在其中集成更多子系統(tǒng)。

2、軟件挑戰(zhàn)

如今，機器人軟件仍然經常作為封閉系統(tǒng)執(zhí)行，通常使用ASICS或FPGA等各種定制的x86或ARM硬件。通常，軟件均針對各機器人定制，導致難以重復使用。而機械手控制、導航、機器視覺、任務協(xié)調、HMI等所有任務均為同個編程。因此，目前幾乎無法更換軟件組件(即使對于最常需要的功能)或在其他硬件平臺上使用軟件組件。這意味著，對于每項新設計，都需重新實現機器人軟件，此實現過程不但容易出錯且非常耗時，還可能大幅延遲推出急需的創(chuàng)新解決方案，更不用說導致操作員必須對每個機器人進行特定編程的麻煩了。

圖1：協(xié)作機器人需要可以模塊化匯編的硬件和軟件組件，以便適應其任務。編程工作應盡量少，甚至無需編程;它們應足以完成模塊的編程。

3、模塊化與重復使用

烏爾姆應用科技大學服務機器人研究中心Schlegel教授的研發(fā)團隊將使用模塊化軟件方法替代封閉系統(tǒng)方法，因為封閉系統(tǒng)方法不斷為系統(tǒng)集成商和用戶創(chuàng)建新軟件項目，模塊化軟件方法則將整個復雜的機器人系統(tǒng)分成幾個單獨的功能單元，然后將指定各單元通過充分且明確限定的接口進行交互。此概念被稱為SmartSoft，通過與工業(yè)及研究領域合作伙伴的合作，它已在歐洲(EU H2020項目“RobMoSys - 機器人系統(tǒng)的可組合模型和軟件”)和全國范圍(BMWi PAiCE項目“SeRoNet - 服務機器人解決方案的聯(lián)合開發(fā)平臺”)進行推廣并得到暢銷。本質上，此方法旨在實現經由全面開發(fā)和測試的模塊化軟件構建塊匯編機器人系統(tǒng)。這樣，軟件開發(fā)人員可以將重點放在各功能模塊上，而不必考慮其他組件的內部構件。更重要的是，它可以采用模塊化方法合并功能，例如合作或協(xié)作組件、特定操作器的邏輯單元，甚至可以合并不同制造商實現的功能。最后，它還削減了系統(tǒng)集成商和終端用戶進行客戶定制程序改編所需的工作，將大幅推動機器人的普及。

圖2：SmartMDSD工具鏈供組件開發(fā)人員開發(fā)各功能單元的軟件組件，它們可以在新機器人設計中按需要組合與重新使用。因此，底層硬件應可以靈活擴展。

假設您的機械手由A公司提供，機架由B制造商提供，立體機器視覺系統(tǒng)由C制造商提供。得益于高層級抽象化且僅需進行少量調整，在內部物流應用等情況中使用的專用控制系統(tǒng)可以由現成的軟件組件匯編。此應用絕不是幻想，它已經在現實世界中經過測試。例如，烏爾姆團隊已經實現服務機器人組合Larry和Robotino，此組合在Transpharm Logistik GmbH的醫(yī)藥內部物流應用中全自動地裝配各托盤上的藥物包裝，然后將它們放入指定交貨點。配置稍作改變，這兩個機器人便可自動接收咖啡訂單并將做好的咖啡放到客戶的桌子上。由于軟件組件是現成的且可以自由組合，重新設計僅需要幾小時。

4、明確定義接口的容器

為了實現組件的幾乎所有匯編，烏爾姆應用科技大學服務機器人研究中心的團隊開發(fā)出一款服務組件架構的軟件版本，以及適用于Eclipse開發(fā)環(huán)境的模型驅動開源軟件工具鏈。此環(huán)境為組件開發(fā)人員提供一些工具，他們可以使用這些工具為各功能單元編寫自己的代碼，然后，使用自動生成的組件容器保護這些算法。這些容器與相同通信接口的其他容器進行通信。此外，包裝也保護了組件開發(fā)人員的IP。此團隊已開發(fā)幾款類似功能模塊并在自己的項目中使用它們。這些模塊包括導航模塊、機器視覺、HMI、機械手控制和任務協(xié)調等，這些只是其中的一小部分而已。作為一種統(tǒng)一的通信接口，SmartSoft亦依賴于OPC UA。這樣，制造商可以將重點放在特定容器上，并培養(yǎng)其相關核心能力，更靈活的服務讓客戶受益匪淺。

5、通用嵌入式硬件代替專有設計

對于邏輯硬件，烏爾姆團隊使用x86技術盡量削弱軟件開發(fā)與任何特定硬件的關系。憑借合適的膠連邏輯，此方法可以透過x86技術輕松地執(zhí)行，此類系統(tǒng)在后期的遷移也可以如此執(zhí)行。

由于具有高標準化和完整文件編制，嵌入式x86硬件也特別適合此環(huán)境。外形規(guī)格合乎標準，除了尺寸外，應用編程界面也合乎標準。這樣，倘若板子符合PICMG的eAPI規(guī)范或SGET的UIC標準，硬件更換變得方便。在這些情況下，甚至可以按照應用需求自由切換不同尺寸外形(例如主板與嵌入式計算機模塊)，無需大幅更改在遷移中訪問硬件的方法。非常重視此標準化及其文件編制與最簡單的硬件集成的一家供應商就是康佳特(congatec)，烏爾姆應用科技大學服務機器人研究中心在項目中便使用了此供應商的產品。

烏爾姆應用科技大學的Matthias Lutz說：“除了最高計算能力、能效、可靠性等基本要求，我們還非常重視高標準化和通用遷移能力。軟件中的每個額外抽象層均需要額外的計算性能，因此，我們目前正在使用功能強大的雙核技術?？刂茩C器人模塊的板組件和GPIO的標準化方法提供我們嵌入式計算層級自主的抽象化?！?/p>

最終，他們選擇了工業(yè)等級的Mini-ITX主板conga-IC175。這是因為標準化的Mini-ITX規(guī)格尺寸為在真實系統(tǒng)中開發(fā)創(chuàng)新型軟件組件的原型提供多種優(yōu)勢，且已將所有接口集成在一個標準化的板上，康佳特(congatec)實現了透過標準ATX電源、工業(yè)化12V電網或SMART電池進行供電，這對于Robotino和Larry等移動機器人非常重要。另外，也可以透過PCIe擴展卡快速、有效地進行擴展。該板子具有較高效能，還使用耐用的嵌入式組件，因此無需搭配昂貴的散熱。

圖3：使用康佳特 conga-IC175 Mini-ITX主板的自動撿取機器人Larry：高計算能力、低熱損、小外形尺寸和最高可靠性為關鍵因素。

烏爾姆團隊的未來商用機器人設計將執(zhí)行于嵌入式計算機模塊上。但是，無論是Mini-ITX主板、可搭配標準Mini-ITX載板的模塊、模塊和單獨載板還是全定制設計，對于原始設備制造商來說，最終重要的是總擁有成本(TCO)，當使用模塊化軟件時，其也取決于硬件的軟件支持。為了在未來更輕易地集成多項功能，對實時系統(tǒng)虛擬機管理程序技術的全面支持能帶來更多益處。這樣一來客戶可以選擇集成其他功能，例如其自己的IoT網關，無需使用專用硬件平臺，也節(jié)省了硬件成本。

Lutz總結說：“我們非常清楚此類模塊化方法的好處，因為它們反映了我們軟件的模塊化方法。在此方面，有趣的是，并購Real-Time System (RTS)公司后，康佳特(congatec)現在可直接取得這些機器人和自動化專家的虛擬機管理程序技術。”

此外，康佳特(congatec)的技術解決方案中心(TSC)整合所有OEM服務，為烏爾姆應用科技大學服務機器人研究中心或Transpharm Logistik GmbH等這類客戶提供完整的服務。

圖4：康佳特(congatec)針對智能機器人的嵌入式計算硬件的發(fā)展：根據此系列的設計概念和批量，OEM可以選擇(1)嵌入式Mini-ITX主板、(2)可搭載嵌入式計算機模塊的標準化載板(指Mini-ITX)、(3)可搭載嵌入式計算機模塊的定制載板或(4)全定制設計，而康佳特(congatec)可在模塊升級的基礎上相對快速、輕松地實現全定制設計。

6、Transpharm Logistik GmbH的內部物流應用實例

康佳特的工業(yè)合作伙伴Transpharm Logistik GmbH在內部物流應用中使用各種機器人隊列執(zhí)行撿取任務。自動撿取機器人Larry配有UR5機械手模塊并使用Segway機架。運輸機器人Robotino配有傳送帶而非機械手，以便將撿取機器人送到任何地點。直接通過WLAN在庫管理系統(tǒng)中收到訂單。隊列管理系統(tǒng)選擇兩個撿取機器人，它們將執(zhí)行訂單。此應用基于BMBF項目“LogiRob - 共享人機工作空間內的多機器人運輸系統(tǒng)”和“ZAFH Intralogistics - 提高內部物流靈活性的協(xié)作系統(tǒng)”的成果(Baden-Württemberg and EU ERDF 2014-2020)。