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独立自主知识产权的国产智能机器人操作系统

发布时间: 2018-06-22 16:01     来源: 人工智能杂志

  近年来,中国成为了全世界最大且发展最快的机器人市场,人们对机器人的需求和期待逐渐提高。机器人操作系统作为机器人最基础的部分,在实现机器人各项功能的过程中至关重要。针对当前流行的机器人操作系统ROS中存在的不足,本文介绍了面向综合性服务机器人的EwayOS机器人操作系统。其框架设计参考了人脑的功能模型,将机器人程序模块分为感知层、运动层、应用层,以及负责在各层模块间传输数据的通信层。本文详尽说明了EwayOS机器人操作系统的这四个层次模块以及针对该机器人操作系统的开发者工具套件EwaySDK。

  2015年,国务院发布了《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》。《指导意见》指出,依托互联网平台提供人工智能公共创新服务,加快人工智能核心技术突破。自此,人工智能上升为国家战略。

  近年来,伴随着人工智能、机械工程等技术的高速发展,“机器人”已成为全球范围最热门也最具发展潜力的新兴产业,中国也已成为世界最大和发展最快的机器人市场。

  机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的综合学科。它涉及了机械工程学、材料学、电子电器工程学、微电子工程学、计算机科学、控制工程学、信息传感器工程学、声学、仿生学、人工智能、人机交互等众多学科和领域。

  受我国人口老龄化、产业结构调整等因素影响,服务与协作机器人将迎来巨大发展空间。预计到2021年,全球机器人产值将突破2262亿美元,其中服务机器人占比与发展速度均远超工业机器人(见图1)[1]。工业机器人经历了几十年的发展,被不断投入到第一产业和第二产业的生产活动中,使产能得到了巨大提升。随着产业结构的调整升级,我国第三产业的比重正逐年增加,这为服务及协作机器人的发展提供了广阔空间。全球服务机器人行业规模在10年内预计将有40%以上的复合增长。

  机器人在生产、生活、服务方面一步步走入人们的生活,大家对机器人的期待也逐渐提高。机器人的形象逐渐从厂房中力大、精准、冰冷的机器慢慢变化成在家里和办公室里亲切、智能、有用的小助手。随着世界机器人技术的逐渐发展,机器人产品的不断迭代,充满未来智慧且可靠、能干的机器人管家、机器人工人、机器人服务员会从科幻电影走向现实,再次改变人类的生活。

  要实现上述功能,机器人技术,特别是机器人操作系统显得尤为重要。机器人的大脑是计算机,计算机的基础是操作系统。一个好的机器人操作系统能够大大简化机器人算法开发、应用开发、本体开发、产品开发的过程,统一各类软件、硬件的接口,让不同的技术、不同的产品、不同的应用使用统一的标准,让大家可以互通有无,避免重复劳动,大大加快机器人产业的发展。但是,目前流行的机器人操作系统ROS,由于主要面向科研人员,并且没有商业公司运营维护,其学习成本高,运行效率低。并且由于ROS开源,开发者经常更改接口,造成模块互相兼容性差等问题,并不适合商用服务机器人行业。为此,一维弦科技自主研发了EwayOS机器人操作系统,主要面向综合性服务机器人,提供高效开发、高效运行的操作系统方案。

  智能机器人的定位是在人的生产、生活环境下,辅助、替代人完成一些复杂、繁琐的工作。因此机器人应该具备运动能力、操作能力、识别能力。为简化机器人应用开发工程师的工作,操作系统还应具备完备的应用开发框架、各类机器人开发工具库,以及各模块间的通信机制。

  EwayOS参考了人脑的功能模型。比如,当人需要进行一个具体工作的时候,首先要进行目标物的识别,之后主观意识控制肢体运动。在运动过程中,主观意识根据视觉识别的结果,以及当前身体与目标物的相对关系,不断地修正身体运动的状态,最终使肢体与目标物体相互作用,完成具体任务。如需要完成从桌子上拿苹果的任务,首先是大脑开始利用视觉分辨苹果并判断苹果与人的相对坐标,之后主观意识要求人走向苹果,人的运动控制中枢小脑控制肌肉运动迈动双腿走向目标。

  EwayOS的框架设计参考了人脑的功能模型,将机器人程序模块分为感知层、运动层及应用层3个部分,还有模块间通信的通信层负责在各层模块间传输数据。

  其中感知层负责承载各类感知算法,包括机器视觉、机器听觉、视觉障碍物检测、视觉空间建模、视觉SLAM等感知算法。运动控制层主要负责各类运动控制算法以及硬件协议适配。通信层根据不同模块通信需要使用TCP、UDP、共享内存、文件共享、数据等多种传输方式实现。各层有机结合,共同完成机器人的具体任务的执行。

  比如之前拿苹果的例子,首先应用层对应的是人的主观意识,应用层开始拿苹果的逻辑,开启视觉物体识别,同时发送指令至运动控制层控制头部转动,在可视范围内查找苹果。发现苹果后,发送运动指令控制手臂运动进行抓取。

  各层次模块具体说明如下:

  以上内容精选于《人工智能》杂志第四期

  本文作者

  顾祺源

  一维弦科技技术合伙人,电子科技大学信号与信息处理专业硕士。毕业后从事软件开发工作,有10年软件开发、产品设计、项目管理、团队管理、客户沟通方面工作经验,后自主创业从事净菜半成品配送P2P行业,设计并实现了EwayOS机器人操作系统及EwaySDK第三方开发接口系统。

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