烏爾姆應(yīng)用科技大學(xué)服務(wù)機(jī)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(jī)器人編程。此框架旨在提供通用軟件組件，例如，根據(jù)需要替換不同制造商的機(jī)械夾持臂，從而通過即插即用方式實(shí)現(xiàn)新機(jī)器人解決方案。烏爾姆大學(xué)的團(tuán)隊(duì)依靠康佳特(congatec)具有高擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)化的嵌入式計(jì)算硬件來滿足需求。

如今的先進(jìn)機(jī)器人大都是含有多個(gè)子系統(tǒng)的高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)。它們所用的機(jī)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(qū)動(dòng)裝置，例如：在取放應(yīng)用中，還需其他傳感器系統(tǒng)，用來控制運(yùn)動(dòng)、識(shí)別物體和位置。隨著自動(dòng)化、協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)(與人類在同一工作區(qū)內(nèi)工作)，任務(wù)數(shù)量與構(gòu)建塊也大量增加。例如，在工業(yè)環(huán)境中對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行定位和導(dǎo)航以及安全人機(jī)交互。在工業(yè)4.0環(huán)境中，也需要針對(duì)周圍機(jī)器和系統(tǒng)的M2M接口，其目標(biāo)就是互相協(xié)調(diào)任務(wù)。各種類型的機(jī)器人(自動(dòng)、合作、協(xié)作)均需要功能強(qiáng)大的軟件組件和高性能嵌入式系統(tǒng)。

1、智能機(jī)器人的極大市場需求

在未來幾年內(nèi)，智能機(jī)器人的市場需求將大幅增長。例如，預(yù)計(jì)至2023年 ，自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)市場的年復(fù)合增長率將達(dá)到23.7%，協(xié)作機(jī)器人的新市場領(lǐng)域?qū)⒃鲩L兩倍(每年平均增長多達(dá)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(duì)于OEM廠商、系統(tǒng)集成商和用戶而言，軟件開發(fā)是一項(xiàng)極大挑戰(zhàn)。為了讓極其復(fù)雜的自動(dòng)機(jī)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(jī)器人軟件仍然經(jīng)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(duì)各機(jī)器人定制，導(dǎo)致難以重復(fù)使用。而機(jī)械手控制、導(dǎo)航、機(jī)器視覺、任務(wù)協(xié)調(diào)、HMI等所有任務(wù)均為同個(gè)編程。因此，目前幾乎無法更換軟件組件(即使對(duì)于最常需要的功能)或在其他硬件平臺(tái)上使用軟件組件。這意味著，對(duì)于每項(xiàng)新設(shè)計(jì)，都需重新實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軟件，此實(shí)現(xiàn)過程不但容易出錯(cuò)且非常耗時(shí)，還可能大幅延遲推出急需的創(chuàng)新解決方案，更不用說導(dǎo)致操作員必須對(duì)每個(gè)機(jī)器人進(jìn)行特定編程的麻煩了。

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

3、模塊化與重復(fù)使用

烏爾姆應(yīng)用科技大學(xué)服務(wù)機(jī)器人研究中心Schlegel教授的研發(fā)團(tuán)隊(duì)將使用模塊化軟件方法替代封閉系統(tǒng)方法，因?yàn)榉忾]系統(tǒng)方法不斷為系統(tǒng)集成商和用戶創(chuàng)建新軟件項(xiàng)目，模塊化軟件方法則將整個(gè)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)分成幾個(gè)單獨(dú)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(jìn)行交互。此概念被稱為SmartSoft，通過與工業(yè)及研究領(lǐng)域合作伙伴的合作，它已在歐洲(EU H2020項(xiàng)目“RobMoSys - 機(jī)器人系統(tǒng)的可組合模型和軟件”)和全國范圍(BMWi PAiCE項(xiàng)目“SeRoNet - 服務(wù)機(jī)器人解決方案的聯(lián)合開發(fā)平臺(tái)”)進(jìn)行推廣并得到暢銷。本質(zhì)上，此方法旨在實(shí)現(xiàn)經(jīng)由全面開發(fā)和測試的模塊化軟件構(gòu)建塊匯編機(jī)器人系統(tǒng)。這樣，軟件開發(fā)人員可以將重點(diǎn)放在各功能模塊上，而不必考慮其他組件的內(nèi)部構(gòu)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(shí)現(xiàn)的功能。最后，它還削減了系統(tǒng)集成商和終端用戶進(jìn)行客戶定制程序改編所需的工作，將大幅推動(dòng)機(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)中按需要組合與重新使用。因此，底層硬件應(yīng)可以靈活擴(kuò)展。

假設(shè)您的機(jī)械手由A公司提供，機(jī)架由B制造商提供，立體機(jī)器視覺系統(tǒng)由C制造商提供。得益于高層級(jí)抽象化且僅需進(jìn)行少量調(diào)整，在內(nèi)部物流應(yīng)用等情況中使用的專用控制系統(tǒng)可以由現(xiàn)成的軟件組件匯編。此應(yīng)用絕不是幻想，它已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)世界中經(jīng)過測試。例如，烏爾姆團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人組合Larry和Robotino，此組合在Transpharm Logistik GmbH的醫(yī)藥內(nèi)部物流應(yīng)用中全自動(dòng)地裝配各托盤上的藥物包裝，然后將它們放入指定交貨點(diǎn)。配置稍作改變，這兩個(gè)機(jī)器人便可自動(dòng)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(xiàn)成的且可以自由組合，重新設(shè)計(jì)僅需要幾小時(shí)。

4、明確定義接口的容器

為了實(shí)現(xiàn)組件的幾乎所有匯編，烏爾姆應(yīng)用科技大學(xué)服務(wù)機(jī)器人研究中心的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款服務(wù)組件架構(gòu)的軟件版本，以及適用于Eclipse開發(fā)環(huán)境的模型驅(qū)動(dòng)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(dòng)生成的組件容器保護(hù)這些算法。這些容器與相同通信接口的其他容器進(jìn)行通信。此外，包裝也保護(hù)了組件開發(fā)人員的IP。此團(tuán)隊(duì)已開發(fā)幾款類似功能模塊并在自己的項(xiàng)目中使用它們。這些模塊包括導(dǎo)航模塊、機(jī)器視覺、HMI、機(jī)械手控制和任務(wù)協(xié)調(diào)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(diǎn)放在特定容器上，并培養(yǎng)其相關(guān)核心能力，更靈活的服務(wù)讓客戶受益匪淺。

5、通用嵌入式硬件代替專有設(shè)計(jì)

對(duì)于邏輯硬件，烏爾姆團(tuán)隊(duì)使用x86技術(shù)盡量削弱軟件開發(fā)與任何特定硬件的關(guān)系。憑借合適的膠連邏輯，此方法可以透過x86技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，除了尺寸外，應(yīng)用編程界面也合乎標(biāo)準(zhǔn)。這樣，倘若板子符合PICMG的eAPI規(guī)范或SGET的UIC標(biāo)準(zhǔn)，硬件更換變得方便。在這些情況下，甚至可以按照應(yīng)用需求自由切換不同尺寸外形(例如主板與嵌入式計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化及其文件編制與最簡單的硬件集成的一家供應(yīng)商就是康佳特(congatec)，烏爾姆應(yīng)用科技大學(xué)服務(wù)機(jī)器人研究中心在項(xiàng)目中便使用了此供應(yīng)商的產(chǎn)品。

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

最終，他們選擇了工業(yè)等級(jí)的Mini-ITX主板conga-IC175。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化的Mini-ITX規(guī)格尺寸為在真實(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的板上，康佳特(congatec)實(shí)現(xiàn)了透過標(biāo)準(zhǔn)ATX電源、工業(yè)化12V電網(wǎng)或SMART電池進(jìn)行供電，這對(duì)于Robotino和Larry等移動(dòng)機(jī)器人非常重要。另外，也可以透過PCIe擴(kuò)展卡快速、有效地進(jìn)行擴(kuò)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(dòng)撿取機(jī)器人Larry：高計(jì)算能力、低熱損、小外形尺寸和最高可靠性為關(guān)鍵因素。

烏爾姆團(tuán)隊(duì)的未來商用機(jī)器人設(shè)計(jì)將執(zhí)行于嵌入式計(jì)算機(jī)模塊上。但是，無論是Mini-ITX主板、可搭配標(biāo)準(zhǔn)Mini-ITX載板的模塊、模塊和單獨(dú)載板還是全定制設(shè)計(jì)，對(duì)于原始設(shè)備制造商來說，最終重要的是總擁有成本(TCO)，當(dāng)使用模塊化軟件時(shí)，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(xiàng)功能，對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)虛擬機(jī)管理程序技術(shù)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(wǎng)關(guān)，無需使用專用硬件平臺(tái)，也節(jié)省了硬件成本。

Lutz總結(jié)說：“我們非常清楚此類模塊化方法的好處，因?yàn)樗鼈兎从沉宋覀冘浖哪K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(xiàn)在可直接取得這些機(jī)器人和自動(dòng)化專家的虛擬機(jī)管理程序技術(shù)?！?/p>

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

圖4：康佳特(congatec)針對(duì)智能機(jī)器人的嵌入式計(jì)算硬件的發(fā)展：根據(jù)此系列的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)模塊的標(biāo)準(zhǔn)化載板(指Mini-ITX)、(3)可搭載嵌入式計(jì)算機(jī)模塊的定制載板或(4)全定制設(shè)計(jì)，而康佳特(congatec)可在模塊升級(jí)的基礎(chǔ)上相對(duì)快速、輕松地實(shí)現(xiàn)全定制設(shè)計(jì)。

6、Transpharm Logistik GmbH的內(nèi)部物流應(yīng)用實(shí)例

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