造就智能化機(jī)器人選擇合適的操作系統(tǒng)是關(guān)鍵

在大型工廠里，管理者可能想用機(jī)器人來(lái)替代人工完成枯燥的重復(fù)操作；在獨(dú)生子女家庭，父母可能想過(guò)讓智能機(jī)器人來(lái)陪伴自己的小孩兒；在獨(dú)居老人家中，兒女可能想過(guò)讓機(jī)器人來(lái)照顧年邁的父母。無(wú)論在工業(yè)、家庭，還是醫(yī)療等行業(yè)中，機(jī)器人發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，未來(lái)的機(jī)器人朝著應(yīng)用多元化、功能智能化方向發(fā)展。在這樣的趨勢(shì)之下，工程師在設(shè)計(jì)中應(yīng)該怎樣選擇合適的機(jī)器人操作系統(tǒng)？機(jī)器人操作系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的智能化有怎樣的推動(dòng)作用？針對(duì)這些問(wèn)題，筆者邀請(qǐng)了英特爾亞太研發(fā)有限公司開(kāi)源軟件技術(shù)中心ROS工程團(tuán)隊(duì)經(jīng)理?xiàng)詈閬?lái)談一談自己的看法。

服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人將大有可為

機(jī)器人應(yīng)用越來(lái)越廣，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展很快，針對(duì)未來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展，楊洪先生從三個(gè)方面做了分析：首先，服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展將會(huì)更快速與深遠(yuǎn)。隨著智能感知、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的進(jìn)一步成熟并融合進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人將會(huì)更智能、更實(shí)用。整合了智能虛擬助理的未來(lái)服務(wù)機(jī)器人，必將是能移動(dòng)、會(huì)說(shuō)話、在特定領(lǐng)域具備專(zhuān)業(yè)技能的一個(gè)智慧體，也必將更深度地融合到人們的日常工作、生活之中。

其次，工業(yè)協(xié)作機(jī)器人將會(huì)成為很多工業(yè)領(lǐng)域的大勢(shì)所趨。當(dāng)前，由于技術(shù)、資金、產(chǎn)業(yè)耦合度等等一些原因，以汽車(chē)制造為代表的自動(dòng)化制造領(lǐng)域，雖然機(jī)械手臂的普及比率不低，但還是以人機(jī)隔離、以既定程序來(lái)運(yùn)行的模式。隨著各種短板的逐步克服，特別是在網(wǎng)絡(luò)通訊、邊緣計(jì)算等技術(shù)能夠普及落地以及實(shí)時(shí)性、安全性、穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題得到大幅改善之后，人機(jī)協(xié)作模式（亦即人和機(jī)械臂處在同一個(gè)作業(yè)區(qū)域里共同完成一些工作）將會(huì)成為更經(jīng)濟(jì)更高效的智慧工廠的必然方向。此外，伴隨著基因技術(shù)、納米技術(shù)、人工智能、智能硬件的發(fā)展，醫(yī)療機(jī)器人、陪護(hù)機(jī)器人等在遠(yuǎn)程醫(yī)療、微創(chuàng)手術(shù)、3D呈現(xiàn)以及術(shù)后康復(fù)、陪護(hù)等方面比較大的發(fā)展空間。

造就智能化機(jī)器人選擇合適的操作系統(tǒng)是關(guān)鍵

如果人類(lèi)想要賦予機(jī)器人“靈魂”就要配備合適的操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上才能讓機(jī)器人完成更復(fù)雜、更高難度的任務(wù)。目前，機(jī)器人操作系統(tǒng)已經(jīng)被很多機(jī)器人設(shè)計(jì)廠商所熟知，然而，如何正確地選擇一個(gè)適用于特定場(chǎng)景的機(jī)器人操作系統(tǒng)還存在一定的困擾。他們比較擔(dān)心幾個(gè)問(wèn)題，第一，讓自己的程序跑在開(kāi)源的或者是第三方的操作系統(tǒng)之上，會(huì)不會(huì)導(dǎo)致自己的商業(yè)機(jī)密或者知識(shí)產(chǎn)權(quán)遭到泄露？第二，一旦引入了大批量的第三方代碼，將破壞產(chǎn)品的代碼邏輯，增加代碼復(fù)雜度，加大代碼的維護(hù)與修復(fù)成本。第三，對(duì)于關(guān)注于產(chǎn)品運(yùn)行性能的廠商，可能會(huì)擔(dān)憂(yōu)一個(gè)機(jī)器人操作系統(tǒng)的引入，會(huì)加重機(jī)器人產(chǎn)品的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，從而拉低機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

ROS系統(tǒng)已經(jīng)被廠商所接受并采用，ROS系統(tǒng)的核心代碼都是以BSD許可協(xié)議開(kāi)放源代碼給所有人的，（ROS2，更新?lián)Q代的ROS系統(tǒng)，使用Apache許可協(xié)議），該許可協(xié)議允許任何人使用并更改代碼，并且允許任何人具備發(fā)布或者不發(fā)布自己的代碼的權(quán)利，作為更新?lián)Q代的ROS2系統(tǒng)，使用了Apache許可協(xié)議，同BSD協(xié)議具備相似的權(quán)力許可。這在盡量多借鑒別人成就的同時(shí)，很好地保護(hù)了一些機(jī)器人制造廠商的商業(yè)機(jī)密與知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

ROS由OSRF統(tǒng)一管控，開(kāi)源并考慮整體發(fā)展

機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的紛繁龐雜的系統(tǒng)。ROS采用分布式模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)于不同層次的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，封裝在不同的層次與模塊中，并且提供了一系列的調(diào)試與監(jiān)控工具。這樣以來(lái)，既讓不同行業(yè)的專(zhuān)業(yè)人才專(zhuān)注于自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域內(nèi)，又能通過(guò)特定的接口或者工具與其他領(lǐng)域的一些模塊做無(wú)縫對(duì)接。既能保證各個(gè)模塊的專(zhuān)業(yè)性，又能保證模塊之間對(duì)接的便利性與高效性。

更重要的是，ROS具備開(kāi)源優(yōu)勢(shì)。一個(gè)開(kāi)源的項(xiàng)目能夠吸引更多的人或團(tuán)體的加入，每個(gè)人都可以便捷地向開(kāi)源項(xiàng)目貢獻(xiàn)自己的成就，也可以便利地從開(kāi)源項(xiàng)目上獲得支持與幫助。其次，ROS的架構(gòu)設(shè)計(jì)是為機(jī)器人系統(tǒng)量身打造的。ROS架構(gòu)的核心概念是分布式、模塊化，不管是ROS的核心部分，還是特定功能的應(yīng)用，都是獨(dú)立的模塊設(shè)計(jì)。再加上清晰簡(jiǎn)潔的接口定義與實(shí)現(xiàn)，使得在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域的很多輕量級(jí)SoC，都能被輕易地在ROS系統(tǒng)里應(yīng)用起來(lái)；也或許是ROS優(yōu)勝的一個(gè)重要原因，ROS雖然是開(kāi)源的，但是一直由OSRF（開(kāi)源機(jī)器人基金會(huì)）統(tǒng)一管控的。自2007年以來(lái)10多年的時(shí)間里，雖然ROS經(jīng)歷過(guò)幾次變革與起落，但是一直被比較好地管理著，這對(duì)于ROS系統(tǒng)的整體走向的把控、整合一些團(tuán)體與個(gè)人、高效決策等等都具備相當(dāng)重要的作用。

完善的生態(tài)系統(tǒng)是操作系統(tǒng)向前發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力

就像Windows和Linux操作系統(tǒng)，需要建立一個(gè)完善的生態(tài)系統(tǒng)才能推動(dòng)其更快更好地發(fā)展。ROS是一款糅合了眾多知識(shí)體系的操作系統(tǒng)，越多的人參與，越會(huì)獲得更好的完備性、迭代性。楊洪強(qiáng)調(diào)，“每一次的跨學(xué)科的創(chuàng)新，都需要從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用實(shí)踐等不同層次地反復(fù)推敲與嘗試。各種不同層次、不同學(xué)科、不同專(zhuān)業(yè)的人們一起工作能夠大小專(zhuān)業(yè)之間的壁壘，才能讓看似不能解決的問(wèn)題獲得創(chuàng)新性方案?！?/p>

ROS生態(tài)系統(tǒng)的布局分為幾個(gè)層次。首先，ROS系統(tǒng)提供了足夠的說(shuō)明文檔、網(wǎng)上論壇。初學(xué)者可以從相關(guān)網(wǎng)站上獲得足夠的學(xué)習(xí)資料，快速入門(mén)。目前這些網(wǎng)站的訪問(wèn)量已經(jīng)相當(dāng)驚人，而且包括中國(guó)在內(nèi)，有許多團(tuán)體或個(gè)人在致力于將這些網(wǎng)站的相關(guān)資料本地化，以期降低進(jìn)入門(mén)檻，更好地服務(wù)本國(guó)或者本地的學(xué)習(xí)者們。

其次，ROS社區(qū)每年都會(huì)在全球召開(kāi)ROS開(kāi)發(fā)者大會(huì)，該大會(huì)的熱度逐年上升，吸引了社會(huì)各界認(rèn)識(shí)的關(guān)注，為ROS的生態(tài)系統(tǒng)的搭建起到了很好的推進(jìn)作用。除了全球性的年度ROS大會(huì)，許多國(guó)家，如日本、中國(guó)等等，也已經(jīng)或者正在籌備一些區(qū)域年度大會(huì)，這使ROS的生態(tài)進(jìn)一步向更細(xì)分的市場(chǎng)、更小眾的需求類(lèi)別上滲透。針對(duì)ROS社區(qū)的發(fā)展壯大，圍繞ROS有不少的聯(lián)盟陸續(xù)創(chuàng)立，ROS也被應(yīng)用到了不同的領(lǐng)域，譬如針對(duì)于工業(yè)機(jī)械臂的智能化發(fā)展的工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS-Industrial）、無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛、智慧農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、醫(yī)療、安防等等。

另外，ROS系統(tǒng)到目前已經(jīng)擁有了數(shù)以千記的軟件包，一些重要軟件包的維護(hù)者也合縱連橫，會(huì)定期或不定期地以工作組或者論壇的形式共同商討ROS的發(fā)布、趨勢(shì)預(yù)估等。期待更多的國(guó)人能夠在享受ROS帶來(lái)的便利的同時(shí)，能夠多貢獻(xiàn)自己的代碼，讓更多的人以維護(hù)者的身份加入到ROS的建設(shè)中來(lái)。

英特爾在開(kāi)源技術(shù)方面給予ROS/ROS2領(lǐng)域合作伙伴提供了支持，主要包括：創(chuàng)建具有產(chǎn)品價(jià)值的開(kāi)源軟件堆棧，填補(bǔ)關(guān)鍵技術(shù)空白以加速ROS2成熟度，通過(guò)英特爾AI和芯片技術(shù)為機(jī)器人帶來(lái)智能，為物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)平臺(tái)提供機(jī)器人軟件解決方案，以及基于OpenVINO工具集的ROS/ROS2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)視覺(jué)加速方案。

操作系統(tǒng)的進(jìn)步推動(dòng)機(jī)器人向智能化邁進(jìn)

ROS于2007年發(fā)布第一個(gè)版本，經(jīng)過(guò)十年發(fā)展，很多前沿技術(shù)在快速發(fā)展，同時(shí)，業(yè)界對(duì)于機(jī)器人操作系統(tǒng)的需求也發(fā)生了很多變遷。結(jié)合目前的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)機(jī)器人操作系統(tǒng)發(fā)展會(huì)著重于如下的一些方向：

第一， 消息傳遞機(jī)制更關(guān)注于效率與安全?；跈C(jī)器人產(chǎn)品的特性，分布式的模塊化設(shè)計(jì)與信息傳遞將是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。而對(duì)于機(jī)器人產(chǎn)品化的過(guò)程中，消息的傳遞將首先以安全為重。

第二， 跨平臺(tái)。機(jī)器人系統(tǒng)并不會(huì)獨(dú)立存在，往往會(huì)依托于已有生產(chǎn)、服務(wù)系統(tǒng)，做智慧化或功能化的擴(kuò)展。如此一來(lái)，就要求機(jī)器人系統(tǒng)盡可能多地支持既有系統(tǒng)。

第三， 支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和小型系統(tǒng)。未來(lái)的機(jī)器人勢(shì)必要和其他產(chǎn)品或設(shè)備協(xié)同工作，來(lái)達(dá)到更高級(jí)別的智能性。同時(shí)，在機(jī)器人普及的趨勢(shì)下，機(jī)器人與機(jī)器人之前的協(xié)作、溝通也變得更迫切。因此未來(lái)的操作機(jī)器人操作系統(tǒng)需要具備更好的連接性、更小的模塊設(shè)計(jì)，符合協(xié)同工作、萬(wàn)物互聯(lián)的大趨勢(shì)。

第四， 支持可擴(kuò)展的智能化需求。不論是業(yè)界還是普通人的直覺(jué)理解，都會(huì)把智能化作為機(jī)器人發(fā)展的很重要的一個(gè)標(biāo)識(shí)。因此未來(lái)的機(jī)器人操作系統(tǒng)，對(duì)于人工智能的兼容程度也相當(dāng)重要，提供必要的運(yùn)行時(shí)支持與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的接口抽象，并盡可能多地將給予人工智能的高速算法融入到機(jī)器人操作系統(tǒng)的核心領(lǐng)域。