ROS--開源靈活的操作系統(tǒng)推動機器人向智能化邁進

　　無論在工業(yè)、家庭，還是醫(yī)療等行業(yè)中，機器人發(fā)揮著越來越重要的作用，未來的機器人朝著應(yīng)用多元化、功能智能化方向發(fā)展。在這樣的趨勢之下，工程師在設(shè)計中應(yīng)該怎樣選擇合適的機器人操作系統(tǒng)？機器人操作系統(tǒng)對機器人的智能化有怎樣的推動作用？

　　在大型工廠里，管理者可能想用機器人來替代人工完成枯燥的重復(fù)操作；在獨生子女家庭，父母可能想過讓智能機器人來陪伴自己的小孩兒；在獨居老人家中，兒女可能想過讓機器人來照顧年邁的父母。無論在工業(yè)、家庭，還是醫(yī)療等行業(yè)中，機器人發(fā)揮著越來越重要的作用，未來的機器人朝著應(yīng)用多元化、功能智能化方向發(fā)展。在這樣的趨勢之下，工程師在設(shè)計中應(yīng)該怎樣選擇合適的機器人操作系統(tǒng)？機器人操作系統(tǒng)對機器人的智能化有怎樣的推動作用？針對這些問題，邀請了英特爾亞太研發(fā)有限公司開源軟件技術(shù)中心ROS工程團隊經(jīng)理楊洪來談一談自己的看法。

　　服務(wù)機器人、工業(yè)機器人、康復(fù)機器人將大有可為

　　機器人應(yīng)用越來越廣，機器人技術(shù)發(fā)展很快，針對未來機器人領(lǐng)域的發(fā)展，楊洪先生從三個方面做了分析：首先，服務(wù)機器人的發(fā)展將會更快速與深遠。隨著智能感知、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的進一步成熟并融合進機器人領(lǐng)域，服務(wù)機器人將會更智能、更實用。整合了智能虛擬助理的未來服務(wù)機器人，必將是能移動、會說話、在特定領(lǐng)域具備專業(yè)技能的一個智慧體，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)作機器人將會成為很多工業(yè)領(lǐng)域的大勢所趨。當(dāng)前，由于技術(shù)、資金、產(chǎn)業(yè)耦合度等等一些原因，以汽車制造為代表的自動化制造領(lǐng)域，雖然機械手臂的普及比率不低，但還是以人機隔離、以既定程序來運行的模式。隨著各種短板的逐步克服，特別是在網(wǎng)絡(luò)通訊、邊緣計算等技術(shù)能夠普及落地以及實時性、安全性、穩(wěn)定性等方面的問題得到大幅改善之后，人機協(xié)作模式（亦即人和機械臂處在同一個作業(yè)區(qū)域里共同完成一些工作）將會成為更經(jīng)濟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)療機器人、陪護機器人等在遠程醫(yī)療、微創(chuàng)手術(shù)、3D呈現(xiàn)以及術(shù)后康復(fù)、陪護等方面比較大的發(fā)展空間。

　　造就智能化機器人選擇合適的操作系統(tǒng)是關(guān)鍵

　　如果人類想要賦予機器人“靈魂”就要配備合適的操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上才能讓機器人完成更復(fù)雜、更高難度的任務(wù)。目前，機器人操作系統(tǒng)已經(jīng)被很多機器人設(shè)計廠商所熟知，然而，如何正確地選擇一個適用于特定場景的機器人操作系統(tǒng)還存在一定的困擾。他們比較擔(dān)心幾個問題，第一，讓自己的程序跑在開源的或者是第三方的操作系統(tǒng)之上，會不會導(dǎo)致自己的商業(yè)機密或者知識產(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，加大代碼的維護與修復(fù)成本。第三，對于關(guān)注于產(chǎn)品運行性能的廠商，可能會擔(dān)憂一個機器人操作系統(tǒng)的引入，會加重機器人產(chǎn)品的運算負擔(dān)，從而拉低機器人系統(tǒng)的運行性能。

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，很好地保護了一些機器人制造廠商的商業(yè)機密與知識產(chǎn)權(quán)。

   ROS由OSRF統(tǒng)一管控，開源并考慮整體發(fā)展

　　機器人技術(shù)是一個跨領(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，對于不同層次的專業(yè)知識，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，既讓不同行業(yè)的專業(yè)人才專注于自己擅長的領(lǐng)域內(nèi)，又能通過特定的接口或者工具與其他領(lǐng)域的一些模塊做無縫對接。既能保證各個模塊的專業(yè)性，又能保證模塊之間對接的便利性與高效性。

　　更重要的是，ROS具備開源優(yōu)勢。一個開源的項目能夠吸引更多的人或團體的加入，每個人都可以便捷地向開源項目貢獻自己的成就，也可以便利地從開源項目上獲得支持與幫助。其次，ROS的架構(gòu)設(shè)計是為機器人系統(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，都是獨立的模塊設(shè)計。再加上清晰簡潔的接口定義與實現(xiàn)，使得在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域的很多輕量級SoC，都能被輕易地在ROS系統(tǒng)里應(yīng)用起來；也或許是ROS優(yōu)勝的一個重要原因，ROS雖然是開源的，但是一直由OSRF（開源機器人基金會）統(tǒng)一管控的。自2007年以來10多年的時間里，雖然ROS經(jīng)歷過幾次變革與起落，但是一直被比較好地管理著，這對于ROS系統(tǒng)的整體走向的把控、整合一些團體與個人、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)展的強大動力

　　就像Windows和Linux操作系統(tǒng)，需要建立一個完善的生態(tài)系統(tǒng)才能推動其更快更好地發(fā)展。ROS是一款糅合了眾多知識體系的操作系統(tǒng)，越多的人參與，越會獲得更好的完備性、迭代性。楊洪強調(diào)，“每一次的跨學(xué)科的創(chuàng)新，都需要從實驗室到應(yīng)用實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、不同專業(yè)的人們一起工作能夠大小專業(yè)之間的壁壘，才能讓看似不能解決的問題獲得創(chuàng)新性方案。”

   ROS生態(tài)系統(tǒng)的布局分為幾個層次。首先，ROS系統(tǒng)提供了足夠的說明文檔、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。目前這些網(wǎng)站的訪問量已經(jīng)相當(dāng)驚人，而且包括中國在內(nèi)，有許多團體或個人在致力于將這些網(wǎng)站的相關(guān)資料本地化，以期降低進入門檻，更好地服務(wù)本國或者本地的學(xué)習(xí)者們。

　　其次，ROS社區(qū)每年都會在全球召開ROS開發(fā)者大會，該大會的熱度逐年上升，吸引了社會各界認識的關(guān)注，為ROS的生態(tài)系統(tǒng)的搭建起到了很好的推進作用。除了全球性的年度ROS大會，許多國家，如日本、中國等等，也已經(jīng)或者正在籌備一些區(qū)域年度大會，這使ROS的生態(tài)進一步向更細分的市場、更小眾的需求類別上滲透。針對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，譬如針對于工業(yè)機械臂的智能化發(fā)展的工業(yè)機器人操作系統(tǒng)（ROS-Industrial）、無人機、自動駕駛、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者也合縱連橫，會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、趨勢預(yù)估等。期待更多的國人能夠在享受ROS帶來的便利的同時，能夠多貢獻自己的代碼，讓更多的人以維護者的身份加入到ROS的建設(shè)中來。

　　英特爾在開源技術(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)品價值的開源軟件堆棧，填補關(guān)鍵技術(shù)空白以加速ROS2成熟度，通過英特爾AI和芯片技術(shù)為機器人帶來智能，為物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)平臺提供機器人軟件解決方案，以及基于OpenVINO工具集的ROS/ROS2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)視覺加速方案。

　　操作系統(tǒng)的進步推動機器人向智能化邁進

   ROS于2007年發(fā)布第一個版本，經(jīng)過十多年發(fā)展，很多前沿技術(shù)在快速發(fā)展，同時，業(yè)界對于機器人操作系統(tǒng)的需求也發(fā)生了很多變遷。結(jié)合目前的發(fā)展趨勢，未來機器人操作系統(tǒng)發(fā)展會著重于如下的一些方向：

　　第一， 消息傳遞機制更關(guān)注于效率與安全。基于機器人產(chǎn)品的特性，分布式的模塊化設(shè)計與信息傳遞將是設(shè)計的重點。而對于機器人產(chǎn)品化的過程中，消息的傳遞將首先以安全為重。

　　第二， 跨平臺。機器人系統(tǒng)并不會獨立存在，往往會依托于已有生產(chǎn)、服務(wù)系統(tǒng)，做智慧化或功能化的擴展。如此一來，就要求機器人系統(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)。未來的機器人勢必要和其他產(chǎn)品或設(shè)備協(xié)同工作，來達到更高級別的智能性。同時，在機器人普及的趨勢下，機器人與機器人之前的協(xié)作、溝通也變得更迫切。因此未來的操作機器人操作系統(tǒng)需要具備更好的連接性、更小的模塊設(shè)計，符合協(xié)同工作、萬物互聯(lián)的大趨勢。

　　第四， 支持可擴展的智能化需求。不論是業(yè)界還是普通人的直覺理解，都會把智能化作為機器人發(fā)展的很重要的一個標(biāo)識。因此未來的機器人操作系統(tǒng)，對于人工智能的兼容程度也相當(dāng)重要，提供必要的運行時支持與相對標(biāo)準的神經(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器人操作系統(tǒng)的核心領(lǐng)域。