如何才能满足协作机器人编程的模块化需求

乌尔姆应用科技大学服务机器人研究中心正在开发一种模块化软件框架以便简化机器人编程。此框架旨在提供通用软件组件，例如，根据需要替换不同制造商的机械夹持臂，从而通过即插即用方式实现新机器人解决方案。乌尔姆大学的团队依靠康佳特(congatec)具有高扩展性和标准化的嵌入式计算硬件来满足需求。

如今的先进机器人大都是含有多个子系统的高度复杂结构。它们所用的机械手臂两端装有特定工具、夹持系统或测量仪器的各种轴和驱动装置，例如：在取放应用中，还需其他传感器系统，用来控制运动、识别物体和位置。随着自动化、协作机器人的出现（与人类在同一工作区内工作），任务数量与构建块也大量增加。例如，在工业环境中对移动机器人进行定位和导航以及安全人机交互。在工业4.0环境中，也需要针对周围机器和系统的M2M接口，其目标就是互相协调任务。各种类型的机器人（自动、合作、协作）均需要功能强大的软件组件和高性能嵌入式系统。

1

智能机器人的极大市场需求

在未来几年内，智能机器人的市场需求将大幅增长。例如，预计至2023年 ，自动机器人系统市场的年复合增长率将达到23.7%，协作机器人的新市场领域将增长两倍（每年平均增长多达59%）。OEM厂商为了搭上这高市场增长的便车，承受着快速开发并在成熟市场中推出此类新系统的巨大压力。但是，对于OEM厂商、系统集成商和用户而言，软件开发是一项极大挑战。为了让极其复杂的自动机器人解决方案变得相互协作和/或合作，必须在其中集成更多子系统。

2

软件挑战

如今，机器人软件仍然经常作为封闭系统执行，通常使用ASICS或FPGA等各种定制的x86或ARM硬件。通常，软件均针对各机器人定制，导致难以重复使用。而机械手控制、导航、机器视觉、任务协调、HMI等所有任务均为同个编程。因此，目前几乎无法更换软件组件（即使对于最常需要的功能）或在其他硬件平台上使用软件组件。这意味着，对于每项新设计，都需重新实现机器人软件，此实现过程不但容易出错且非常耗时，还可能大幅延迟推出急需的创新解决方案，更不用说导致操作员必须对每个机器人进行特定编程的麻烦了。

图1：协作机器人需要可以模块化汇编的硬件和软件组件，以便适应其任务。编程工作应尽量少，甚至无需编程；它们应足以完成模块的编程。

3

模块化与重复使用

乌尔姆应用科技大学服务机器人研究中心Schlegel教授的研发团队将使用模块化软件方法替代封闭系统方法，因为封闭系统方法不断为系统集成商和用户创建新软件项目，模块化软件方法则将整个复杂的机器人系统分成几个单独的功能单元，然后将指定各单元通过充分且明确限定的接口进行交互。此概念被称为SmartSoft，通过与工业及研究领域合作伙伴的合作，它已在欧洲（EU H2020项目“RobMoSys - 机器人系统的可组合模型和软件”）和全国范围（BMWi PAiCE项目“SeRoNet - 服务机器人解决方案的联合开发平台”）进行推广并得到畅销。本质上，此方法旨在实现经由全面开发和测试的模块化软件构建块汇编机器人系统。这样，软件开发人员可以将重点放在各功能模块上，而不必考虑其他组件的内部构件。更重要的是，它可以采用模块化方法合并功能，例如合作或协作组件、特定操作器的逻辑单元，甚至可以合并不同制造商实现的功能。最后，它还削减了系统集成商和终端用户进行客户定制程序改编所需的工作，将大幅推动机器人的普及。

图2：SmartMDSD工具链供组件开发人员开发各功能单元的软件组件，它们可以在新机器人设计中按需要组合与重新使用。因此，底层硬件应可以灵活扩展。

假设您的机械手由A公司提供，机架由B制造商提供，立体机器视觉系统由C制造商提供。得益于高层级抽象化且仅需进行少量调整，在内部物流应用等情况中使用的专用控制系统可以由现成的软件组件汇编。此应用绝不是幻想，它已经在现实世界中经过测试。例如，乌尔姆团队已经实现服务机器人组合Larry和Robotino，此组合在Transpharm Logistik GmbH的医药内部物流应用中全自动地装配各托盘上的药物包装，然后将它们放入指定交货点。配置稍作改变，这两个机器人便可自动接收咖啡订单并将做好的咖啡放到客户的桌子上。由于软件组件是现成的且可以自由组合，重新设计仅需要几小时。

4

明确定义接口的容器

为了实现组件的几乎所有汇编，乌尔姆应用科技大学服务机器人研究中心的团队开发出一款服务组件架构的软件版本，以及适用于Eclipse开发环境的模型驱动开源软件工具链。此环境为组件开发人员提供一些工具，他们可以使用这些工具为各功能单元编写自己的代码，然后，使用自动生成的组件容器保护这些算法。这些容器与相同通信接口的其他容器进行通信。此外，包装也保护了组件开发人员的IP。此团队已开发几款类似功能模块并在自己的项目中使用它们。这些模块包括导航模块、机器视觉、HMI、机械手控制和任务协调等，这些只是其中的一小部分而已。作为一种统一的通信接口，SmartSoft亦依赖于OPC UA。这样，制造商可以将重点放在特定容器上，并培养其相关核心能力，更灵活的服务让客户受益匪浅。

5

通用嵌入式硬件代替专有设计

对于逻辑硬件，乌尔姆团队使用x86技术尽量削弱软件开发与任何特定硬件的关系。凭借合适的胶连逻辑，此方法可以透过x86技术轻松地执行，此类系统在后期的迁移也可以如此执行。

由于具有高标准化和完整文件编制，嵌入式x86硬件也特别适合此环境。外形规格合乎标准，除了尺寸外，应用编程界面也合乎标准。这样，倘若板子符合PICMG的eAPI规范或SGET的UIC标准，硬件更换变得方便。在这些情况下，甚至可以按照应用需求自由切换不同尺寸外形（例如主板与嵌入式计算机模块），无需大幅更改在迁移中访问硬件的方法。非常重视此标准化及其文件编制与最简单的硬件集成的一家供应商就是康佳特(congatec)，乌尔姆应用科技大学服务机器人研究中心在项目中便使用了此供应商的产品。

乌尔姆应用科技大学的Matthias Lutz说：“除了最高计算能力、能效、可靠性等基本要求，我们还非常重视高标准化和通用迁移能力。软件中的每个额外抽象层均需要额外的计算性能，因此，我们目前正在使用功能强大的双核技术。控制机器人模块的板组件和GPIO的标准化方法提供我们嵌入式计算层级自主的抽象化。”

最终，他们选择了工业等级的Mini-ITX主板conga-IC175。这是因为标准化的Mini-ITX规格尺寸为在真实系统中开发创新型软件组件的原型提供多种优势，且已将所有接口集成在一个标准化的板上，康佳特(congatec)实现了透过标准ATX电源、工业化12V电网或SMART电池进行供电，这对于Robotino和Larry等移动机器人非常重要。另外，也可以透过PCIe扩展卡快速、有效地进行扩展。该板子具有较高效能，还使用耐用的嵌入式组件，因此无需搭配昂贵的散热。

图3：使用康佳特 conga-IC175 Mini-ITX主板的自动捡取机器人Larry：高计算能力、低热损、小外形尺寸和最高可靠性为关键因素。

乌尔姆团队的未来商用机器人设计将执行于嵌入式计算机模块上。但是，无论是Mini-ITX主板、可搭配标准Mini-ITX载板的模块、模块和单独载板还是全定制设计，对于原始设备制造商来说，最终重要的是总拥有成本(TCO)，当使用模块化软件时，其也取决于硬件的软件支持。为了在未来更轻易地集成多项功能，对实时系统虚拟机管理程序技术的全面支持能带来更多益处。这样一来客户可以选择集成其他功能，例如其自己的IoT网关，无需使用专用硬件平台，也节省了硬件成本。

Lutz总结说：“我们非常清楚此类模块化方法的好处，因为它们反映了我们软件的模块化方法。在此方面，有趣的是，并购Real-Time System (RTS)公司后，康佳特(congatec)现在可直接取得这些机器人和自动化专家的虚拟机管理程序技术。”

此外，康佳特(congatec)的技术解决方案中心(TSC)整合所有OEM服务，为乌尔姆应用科技大学服务机器人研究中心或Transpharm Logistik GmbH等这类客户提供完整的服务。

图4：康佳特(congatec)针对智能机器人的嵌入式计算硬件的发展：根据此系列的设计概念和批量，OEM可以选择(1)嵌入式Mini-ITX主板、(2)可搭载嵌入式计算机模块的标准化载板（指Mini-ITX）、(3)可搭载嵌入式计算机模块的定制载板或(4)全定制设计，而康佳特(congatec)可在模块升级的基础上相对快速、轻松地实现全定制设计。

6

Transpharm Logistik GmbH的内部物流应用实例

康佳特的工业合作伙伴Transpharm Logistik GmbH在内部物流应用中使用各种机器人队列执行捡取任务。自动捡取机器人Larry配有UR5机械手模块并使用Segway机架。运输机器人Robotino配有传送带而非机械手，以便将捡取机器人送到任何地点。直接通过WLAN在库管理系统中收到订单。队列管理系统选择两个捡取机器人，它们将执行订单。此应用基于BMBF项目“LogiRob - 共享人机工作空间内的多机器人运输系统”和“ZAFH Intralogistics - 提高内部物流灵活性的协作系统”的成果（Baden-Württemberg and EU ERDF 2014-2020）。