侯人鸞，佟琨，韓冰,2,3，于曉龍，楊帆

（1.北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院，杭州 310051；2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310027；3.浙江大學(xué)，工程師學(xué)院，杭州 310015）

0 引言

機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志[1]。當(dāng)前以機(jī)器人、人工智能、5G和數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命正在興起[2]，在加速實(shí)體經(jīng)濟(jì)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)深度融合發(fā)展、傳統(tǒng)制造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的同時(shí)，也給中國(guó)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展帶來(lái)前所未有之機(jī)遇?！秶?guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）報(bào)告》指出：全球機(jī)器人儲(chǔ)備總量已達(dá)301.5 萬(wàn)臺(tái)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。在此背景下，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)展顯著，營(yíng)業(yè)收入突破1000 億元/年，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到15%[3,4]，在除汽車制造、3C 等傳統(tǒng)行業(yè)外的物流倉(cāng)儲(chǔ)[5]、教育娛樂(lè)[6]、醫(yī)療康復(fù)等行業(yè)也正在實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用[7]，不但有力提高了生產(chǎn)水平、生活質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力，而且正在重塑我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的底層邏輯，成為我國(guó)新一輪經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的核心驅(qū)動(dòng)力，也是我國(guó)抓住“百年未有之大變局”機(jī)遇的關(guān)鍵抓手。然而，目前復(fù)雜多變的世界格局，也給我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)潛在挑戰(zhàn)，特別是給機(jī)器人的“大腦”——操作系統(tǒng)以及其融合人工智能、5G等技術(shù)衍生的云邊端一體化機(jī)器人操作系統(tǒng)，帶來(lái)了潛在的“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。為此，發(fā)展我國(guó)自主可控的云邊端一體化工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)勢(shì)在必行?？v觀國(guó)內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)外起步較早、積累較厚，國(guó)內(nèi)迎頭趕上、勢(shì)頭強(qiáng)勁，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1 國(guó)外機(jī)器人操作系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 商用工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)

機(jī)器人作為國(guó)家高端制造水平體現(xiàn)的代表物，對(duì)于其操作系統(tǒng)的研發(fā)引起了世界工業(yè)強(qiáng)國(guó)和有影響力的機(jī)器人公司的重要關(guān)注，如表1 所示為國(guó)外機(jī)器人操作系統(tǒng)的典型產(chǎn)品。例如，日本2002 年就在國(guó)家戰(zhàn)略層面規(guī)劃了機(jī)器人操作系統(tǒng)并形成了OpenRTM-aist 平臺(tái)[8]，其他國(guó)家組織也相繼推出了Orocos（歐洲）[9]、Player/Stage（美國(guó)）[10]、RoBoDK（加拿大）[11]、YARP（微軟）[12]等一系列操作系統(tǒng)平臺(tái)。同時(shí)全球各大機(jī)器人廠商包括德國(guó)的KUKA（2017 年已被中國(guó)美的集團(tuán)收購(gòu)）、瑞士的ABB、日本的FANUC（發(fā)那科）和YASKAWA（安川）都研發(fā)了專用機(jī)器人操作系統(tǒng)：KUKA和ABB采用VxWorks＋自研運(yùn)動(dòng)控制算法，而發(fā)那科和安川則采用自研嵌入式操作系統(tǒng)和自研運(yùn)動(dòng)控制算法。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展演進(jìn)，目前國(guó)外四大家族的機(jī)器人操作系統(tǒng)都已經(jīng)相當(dāng)成熟，在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和運(yùn)動(dòng)控制精度方面優(yōu)于我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)，但也存在各自為政、互不兼容的局面。

表1 國(guó)外機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)/產(chǎn)品

1.2 開源機(jī)器人操作系統(tǒng)

國(guó)外一些機(jī)構(gòu)也推出了一些有影響力的開源機(jī)器人操作系統(tǒng)。例如，美國(guó)斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室推出的ROS（Robot Operating System）[13-15]是一款利用分布式通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)程通信的松耦合框架，可對(duì)各類機(jī)器人中間件、功能庫(kù)和頂層的第三方工具軟件，如GAZEBO[16,17]、OpenCV[18]、PCL（Point Cloud Library）[19]、MoveIt[20,21]等集成至ROS 框架當(dāng)中。ROS 各類機(jī)器人中間件均為開源軟件，利于研究人員學(xué)習(xí)，且用戶眾多，在全球范圍內(nèi)的開發(fā)者估計(jì)超過(guò)10 萬(wàn)（資深開發(fā)者3 萬(wàn)左右），但開源軟件學(xué)習(xí)難度普遍較高，終端用戶難以學(xué)習(xí)掌握。另外，ROS 是運(yùn)行在Linux/Windows 上的亞機(jī)器人操作系統(tǒng)，不能獨(dú)立運(yùn)行，雖然開源但實(shí)時(shí)性差，因此ROS主要用于教學(xué)和科研，在工業(yè)界應(yīng)用較少（但隨著ROSIndustrial[22,23]軟件包的出現(xiàn)，ROS在實(shí)時(shí)性要求不高的移動(dòng)/服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多）。

1.3 云平臺(tái)系統(tǒng)

為了拓展工業(yè)機(jī)器人基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的應(yīng)用，國(guó)外商業(yè)公司及組織在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面對(duì)已有技術(shù)進(jìn)行了升級(jí)改造，并且提出了適用于機(jī)器人大數(shù)據(jù)分析的云端平臺(tái)。美國(guó)GE 推出云平臺(tái)Predix[24]，主要支持工業(yè)設(shè)備安全監(jiān)控、工業(yè)數(shù)據(jù)管理、工業(yè)數(shù)據(jù)分析以及云智能技術(shù)遷移等功能，其數(shù)據(jù)采集軟件嵌入工業(yè)控制系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)，可在網(wǎng)關(guān)、控制器、傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署，Predix 分析服務(wù)開發(fā)框架為基于微軟Cloud Foundry 框架的PaaS 開發(fā)平臺(tái)[25]，企業(yè)根據(jù)需求可自主開發(fā)算法和模型。德國(guó)西門子推出基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSphere[26]，主要依托Nano 網(wǎng)關(guān)型硬件產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)即插即用，提供云端連接數(shù)據(jù)采集/開發(fā)API與西門子的眾多硬件產(chǎn)品進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，但其僅支持西門子S7 通訊協(xié)議或OPC UA 協(xié)議[27]。隨后瑞士ABB提出ABB Ability 工業(yè)云可視為“邊緣計(jì)算+云”體系架構(gòu)[28]，分別由端設(shè)備與傳感器、DCS+電控+安全一體化的中間層自動(dòng)化系統(tǒng)、端到端工業(yè)數(shù)字化解決方案以及開放工業(yè)云平臺(tái)四部分組成。菲尼克斯電氣推出的ProfiCloud 工業(yè)云平臺(tái)[29]采用云耦合器通過(guò)Profinet 網(wǎng)絡(luò)添加多個(gè)設(shè)備，并采用分布式控制器遠(yuǎn)程控制PROFINET IO 子站[30]，菲尼克斯電氣開放式控制平臺(tái)PLCnext[31]，可支持各類工具軟件如Visual Studio、Eclipse、Matlab Simulink、PC Worx等并行工作[32,33]，共享數(shù)據(jù)信息資源。除商業(yè)公司外，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提出了基于“霧計(jì)算”的機(jī)器人云平臺(tái)架構(gòu)[34-36]，用以支持工業(yè)大數(shù)據(jù)處理和智能服務(wù)，相比以上商用工業(yè)平臺(tái)而言其功能較為有限，但商用私有云平臺(tái)大多僅支持某類總線、設(shè)備適配也存在一定局限性。

2 國(guó)內(nèi)機(jī)器人操作系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也加速了國(guó)產(chǎn)機(jī)器人操作系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程[37]，加強(qiáng)了機(jī)器人操作系統(tǒng)、工藝優(yōu)化、預(yù)測(cè)性維護(hù)等核心技術(shù)攻關(guān)[38]，推進(jìn)了人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的融合應(yīng)用[39]，相關(guān)研究如表2所示。在工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)領(lǐng)域，北航自主研發(fā)了國(guó)產(chǎn)機(jī)器人操作系統(tǒng)ROSC[40]，具有開放式、跨平臺(tái)、強(qiáng)實(shí)時(shí)和組件化等特點(diǎn)。翼輝公司擁有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)內(nèi)核的SylixOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持對(duì)稱多處理器（SMP）平臺(tái)，并且具有實(shí)時(shí)進(jìn)程及動(dòng)態(tài)加載機(jī)制，支持ARM、MIPS、PowerPC、X86、SPARC、DSP、RISC-V、C-SKY、LoongArch 等架構(gòu)處理器，便于系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試，加快軟件研發(fā)速度[41]。錢江機(jī)器人公司推出了具有核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)的QJR系列工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)，提供了高性能運(yùn)動(dòng)控制接口[42]。新時(shí)達(dá)公司以運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)為核心，基于多軸同步、總線控制、平臺(tái)化控制、多機(jī)協(xié)同、免調(diào)試自適應(yīng)等自有核心技術(shù)，提供包括從伺服驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制到集成化的應(yīng)用，從單機(jī)自動(dòng)化到智能制造的多層次解決方案[43]。極智嘉公司提出了基于5G 和云-邊-端協(xié)同計(jì)算的移動(dòng)機(jī)器人操作系統(tǒng)，提高機(jī)器人智能性的同時(shí)降低硬件成本[44]。

表2 國(guó)內(nèi)機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)/產(chǎn)品

在拓展工業(yè)機(jī)器人基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的應(yīng)用方面，我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，以工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等核心裝備為支撐提出了“三層級(jí)四環(huán)節(jié)”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邏輯架構(gòu)[45]。航天科工發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)INDICS 提供涵蓋IaaS、DaaS、PaaS 和SaaS 的完整工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)功能，典型應(yīng)用包括工業(yè)智能生產(chǎn)線，可由布置在商密網(wǎng)服務(wù)器上總控系統(tǒng)導(dǎo)入MES系統(tǒng)的任務(wù)信息，執(zhí)行加工工藝的同時(shí)基于采集數(shù)據(jù)優(yōu)化工藝流程[46]。海爾COSMOPlat 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)依托RFID 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可執(zhí)行大規(guī)模定制化服務(wù)，主要應(yīng)用在智慧服裝定制領(lǐng)域[47]。三一集團(tuán)的樹根工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為設(shè)備廠商增加遠(yuǎn)程控制、個(gè)性化的參數(shù)設(shè)置等功能，并根據(jù)大數(shù)據(jù)信息，為設(shè)備運(yùn)維提供指導(dǎo)幫助，具體包括遠(yuǎn)程診斷、在線故障處理等服務(wù)[48]。用友集團(tuán)的精智工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是基于用友云面向工業(yè)企業(yè)的智能云平臺(tái)，平臺(tái)以基礎(chǔ)技術(shù)支撐平臺(tái)、容器云平臺(tái)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)、云集成平臺(tái)、服務(wù)治理平臺(tái)以及DevOps 平臺(tái)為支撐，融合了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[49]。浪潮M81 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采用雙模IT 架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)工業(yè)數(shù)據(jù)集成，提供開放API、SDK，與開發(fā)者共享平臺(tái)資源[50]。杭州阿里集團(tuán)基于阿里云大數(shù)據(jù)一體化計(jì)算平臺(tái)發(fā)布ET 工業(yè)大腦，主要特點(diǎn)在于支持云和端一體化，在云上提供海量數(shù)據(jù)挖掘分析，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法模型訓(xùn)練，訓(xùn)練好的智能服務(wù)能夠以輕量級(jí)模式在本地工業(yè)端部署運(yùn)行，為樹根互聯(lián)、海爾集團(tuán)、航天科工集團(tuán)分別推出了平臺(tái)解決方案[51]。國(guó)內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與國(guó)外平臺(tái)一樣存在僅支持固定網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議，尚未形成云邊端一體化工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)。

此外，國(guó)內(nèi)機(jī)器人操作系統(tǒng)和云端應(yīng)用研究的另一個(gè)明顯趨勢(shì)是對(duì)服務(wù)類機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用[52]，如北京光年無(wú)限科技有限公司的圖靈機(jī)器人操作系統(tǒng)TuringOS[53]、小I 機(jī)器人云操作系統(tǒng)iBotOS[54]、智能機(jī)器人操作系統(tǒng)Roobo等，但是這些系統(tǒng)都存在難以兼容復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)知名的工業(yè)機(jī)器人公司，如新松、埃夫特、埃斯頓、匯川、華中數(shù)控、珞石等，目前主流采用“風(fēng)河/RT-Linux、WinCE[55]、QNX 或RTEMS＋自主研發(fā)專用機(jī)器人中間件”作為自己機(jī)器人研發(fā)平臺(tái)，但也是各自為政，彼此互不兼容，云邊端協(xié)同的工業(yè)機(jī)器人智能云服務(wù)目前還處于概念階段。

3 機(jī)器人操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

以PC Windows 和智能手機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)展歷史為鑒，就全球機(jī)器人行業(yè)來(lái)說(shuō)，迫切需要一個(gè)或幾個(gè)基于云邊端協(xié)同的開放式機(jī)器人操作系統(tǒng)的一體化開發(fā)平臺(tái)，而這個(gè)平臺(tái)核心就是“開放式、強(qiáng)實(shí)時(shí)多核計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核＋分布式通信機(jī)制+云邊端協(xié)同智能服務(wù)＋一體化集成開發(fā)環(huán)境”。該平臺(tái)能夠在很大程度上解決目前機(jī)器人研發(fā)面臨的學(xué)習(xí)和開發(fā)難度大、代碼可重用性差、無(wú)法跨平臺(tái)、缺少云端應(yīng)用等問(wèn)題，提升開發(fā)質(zhì)量、開發(fā)效率和開發(fā)一致性，降低開發(fā)門檻、開發(fā)周期和開發(fā)成本。鑒于此，下一代機(jī)器人操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

3.1 高可靠、開放式、強(qiáng)實(shí)時(shí)內(nèi)核計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

VxWorks[56]、QNX[57]和RT-Linux[58]都是采用單晶內(nèi)核設(shè)計(jì)，存在內(nèi)核規(guī)模大、配置關(guān)系復(fù)雜和占用資源多等問(wèn)題[59]。而微內(nèi)核設(shè)計(jì)把功能模塊作為用戶進(jìn)程運(yùn)行，操作系統(tǒng)內(nèi)核縮減到最小，具備占用資源少、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。

3.2 分布式通信與松耦合協(xié)作

隨著機(jī)器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展，消息通信的實(shí)時(shí)性成為機(jī)器人操作系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)[60]。以數(shù)據(jù)為中心的“發(fā)布/訂閱”通信機(jī)制已應(yīng)用于ROS[61]，但其缺乏對(duì)實(shí)時(shí)性的支持[62-64]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在面向分布式實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域，北航、國(guó)防科大等單位在機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性改進(jìn)方面做了大量工作[65、66]。

3.3 云邊端無(wú)感協(xié)同的智能服務(wù)

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)器人高頻數(shù)據(jù)采集，往往會(huì)給網(wǎng)絡(luò)傳輸、平臺(tái)存儲(chǔ)與計(jì)算處理等方面帶來(lái)性能和成本上的巨大壓力，在邊緣層進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和緩存，在云端進(jìn)行智能化的工藝應(yīng)用優(yōu)化和預(yù)測(cè)性維護(hù)[67-69]，是未來(lái)機(jī)器人企業(yè)在云邊端協(xié)同上需要突破的瓶頸[70-72]。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人功能組件與集成開發(fā)環(huán)境

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人功能組件封閉不開放、難以優(yōu)化和重用的痛點(diǎn)，機(jī)器人廠商提供了多種應(yīng)對(duì)策略，但仍然存在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員學(xué)習(xí)使用難度大、模塊抽象擴(kuò)展困難的問(wèn)題[73,74]，需要提高機(jī)器人操作系統(tǒng)組件標(biāo)準(zhǔn)化和跨平臺(tái)程度，迫切需要建立一體化機(jī)器人集成開發(fā)平臺(tái)[75,76]。