烏爾姆應(yīng)用科技大學(xué)服務(wù)機(jī)器人研究中心正在開發(fā)一種模塊化軟件框架以便簡化機(jī)器人編程。此框架旨在提供通用軟件組件，例如，根據(jù)需要替換不同制造商的機(jī)械夾持臂，從而通過即插即用方式實現(xiàn)新機(jī)器人解決方案。烏爾姆大學(xué)的團(tuán)隊依靠康佳特(congatec)具有高擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)化的嵌入式計算硬件來滿足需求。
      如今的先進(jìn)機(jī)器人大都是含有多個子系統(tǒng)的高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)。它們所用的機(jī)械手臂兩端裝有特定工具、夾持系統(tǒng)或測量儀器的各種軸和驅(qū)動裝置，例如：在取放應(yīng)用中，還需其他傳感器系統(tǒng)，用來控制運(yùn)動、識別物體和位置。隨著自動化、協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)（與人類在同一工作區(qū)內(nèi)工作），任務(wù)數(shù)量與構(gòu)建塊也大量增加。例如，在工業(yè)環(huán)境中對移動機(jī)器人進(jìn)行定位和導(dǎo)航以及安全人機(jī)交互。在工業(yè)4.0環(huán)境中，也需要針對周圍機(jī)器和系統(tǒng)的M2M接口，其目標(biāo)就是互相協(xié)調(diào)任務(wù)。各種類型的機(jī)器人（自動、合作、協(xié)作）均需要功能強(qiáng)大的軟件組件和高性能嵌入式系統(tǒng)。

1  智能機(jī)器人的極大市場需求
      在未來幾年內(nèi)，智能機(jī)器人的市場需求將大幅增長。例如，預(yù)計至2023年 ，自動機(jī)器人系統(tǒng)市場的年復(fù)合增長率將達(dá)到23.7%，協(xié)作機(jī)器人的新市場領(lǐng)域?qū)⒃鲩L兩倍（每年平均增長多達(dá)59%）。OEM廠商為了搭上這高市場增長的便車，承受著快速開發(fā)并在成熟市場中推出此類新系統(tǒng)的巨大壓力。但是，對于OEM廠商、系統(tǒng)集成商和用戶而言，軟件開發(fā)是一項極大挑戰(zhàn)。為了讓極其復(fù)雜的自動機(jī)器人解決方案變得相互協(xié)作和/或合作，必須在其中集成更多子系統(tǒng)。
2  軟件挑戰(zhàn)
      如今，機(jī)器人軟件仍然經(jīng)常作為封閉系統(tǒng)執(zhí)行，通常使用ASICS或FPGA等各種定制的x86或ARM硬件。通常，軟件均針對各機(jī)器人定制，導(dǎo)致難以重復(fù)使用。而機(jī)械手控制、導(dǎo)航、機(jī)器視覺、任務(wù)協(xié)調(diào)、HMI等所有任務(wù)均為同個編程。因此，目前幾乎無法更換軟件組件（即使對于最常需要的功能）或在其他硬件平臺上使用軟件組件。這意味著，對于每項新設(shè)計，都需重新實現(xiàn)機(jī)器人軟件，此實現(xiàn)過程不但容易出錯且非常耗時，還可能大幅延遲推出急需的創(chuàng)新解決方案，更不用說導(dǎo)致操作員必須對每個機(jī)器人進(jìn)行特定編程的麻煩了。

3  模塊化與重復(fù)使用
      烏爾姆應(yīng)用科技大學(xué)服務(wù)機(jī)器人研究中心Schlegel教授的研發(fā)團(tuán)隊將使用模塊化軟件方法替代封閉系統(tǒng)方法，因為封閉系統(tǒng)方法不斷為系統(tǒng)集成商和用戶創(chuàng)建新軟件項目，模塊化軟件方法則將整個復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)分成幾個單獨(dú)的功能單元，然后將指定各單元通過充分且明確限定的接口進(jìn)行交互。此概念被稱為SmartSoft，通過與工業(yè)及研究領(lǐng)域合作伙伴的合作，它已在歐洲（EU H2020項目“RobMoSys - 機(jī)器人系統(tǒng)的可組合模型和軟件”）和全國范圍（BMWi PAiCE項目“SeRoNet - 服務(wù)機(jī)器人解決方案的聯(lián)合開發(fā)平臺”）進(jìn)行推廣并得到暢銷。本質(zhì)上，此方法旨在實現(xiàn)經(jīng)由全面開發(fā)和測試的模塊化軟件構(gòu)建塊匯編機(jī)器人系統(tǒng)。這樣，軟件開發(fā)人員可以將重點(diǎn)放在各功能模塊上，而不必考慮其他組件的內(nèi)部構(gòu)件。更重要的是，它可以采用模塊化方法合并功能，例如合作或協(xié)作組件、特定操作器的邏輯單元，甚至可以合并不同制造商實現(xiàn)的功能。最后，它還削減了系統(tǒng)集成商和終端用戶進(jìn)行客戶定制程序改編所需的工作，將大幅推動機(jī)器人的普及。

  假設(shè)您的機(jī)械手由A公司提供，機(jī)架由B制造商提供，立體機(jī)器視覺系統(tǒng)由C制造商提供。得益于高層級抽象化且僅需進(jìn)行少量調(diào)整，在內(nèi)部物流應(yīng)用等情況中使用的專用控制系統(tǒng)可以由現(xiàn)成的軟件組件匯編。此應(yīng)用絕不是幻想，它已經(jīng)在現(xiàn)實世界中經(jīng)過測試。例如，烏爾姆團(tuán)隊已經(jīng)實現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人組合Larry和Robotino，此組合在Transpharm Logistik GmbH的醫(yī)藥內(nèi)部物流應(yīng)用中全自動地裝配各托盤上的藥物包裝，然后將它們放入指定交貨點(diǎn)。配置稍作改變，這兩個機(jī)器人便可自動接收咖啡訂單并將做好的咖啡放到客戶的桌子上。由于軟件組件是現(xiàn)成的且可以自由組合，重新設(shè)計僅需要幾小時。
4  明確定義接口的容器
     為了實現(xiàn)組件的幾乎所有匯編，烏爾姆應(yīng)用科技大學(xué)服務(wù)機(jī)器人研究中心的團(tuán)隊開發(fā)出一款服務(wù)組件架構(gòu)的軟件版本，以及適用于Eclipse開發(fā)環(huán)境的模型驅(qū)動開源軟件工具鏈。此環(huán)境為組件開發(fā)人員提供一些工具，他們可以使用這些工具為各功能單元編寫自己的代碼，然后，使用自動生成的組件容器保護(hù)這些算法。這些容器與相同通信接口的其他容器進(jìn)行通信。此外，包裝也保護(hù)了組件開發(fā)人員的IP。此團(tuán)隊已開發(fā)幾款類似功能模塊并在自己的項目中使用它們。這些模塊包括導(dǎo)航模塊、機(jī)器視覺、HMI、機(jī)械手控制和任務(wù)協(xié)調(diào)等，這些只是其中的一小部分而已。作為一種統(tǒng)一的通信接口，SmartSoft亦依賴于OPC UA。這樣，制造商可以將重點(diǎn)放在特定容器上，并培養(yǎng)其相關(guān)核心能力，更靈活的服務(wù)讓客戶受益匪淺。

5  通入嵌入式硬件代替專有設(shè)計
      對于邏輯硬件，烏爾姆團(tuán)隊使用x86技術(shù)盡量削弱軟件開發(fā)與任何特定硬件的關(guān)系。憑借合適的膠連邏輯，此方法可以透過x86技術(shù)輕松地執(zhí)行，此類系統(tǒng)在后期的遷移也可以如此執(zhí)行。
      由于具有高標(biāo)準(zhǔn)化和完整文件編制，嵌入式x86硬件也特別適合此環(huán)境。外形規(guī)格合乎標(biāo)準(zhǔn)，除了尺寸外，應(yīng)用編程界面也合乎標(biāo)準(zhǔn)。這樣，倘若板子符合PICMG的eAPI規(guī)范或SGET的UIC標(biāo)準(zhǔn)，硬件更換變得方便。在這些情況下，甚至可以按照應(yīng)用需求自由切換不同尺寸外形（例如主板與嵌入式計算機(jī)模塊），無需大幅更改在遷移中訪問硬件的方法。非常重視此標(biāo)準(zhǔn)化及其文件編制與最簡單的硬件集成的一家供應(yīng)商就是康佳特(congatec)，烏爾姆應(yīng)用科技大學(xué)服務(wù)機(jī)器人研究中心在項目中便使用了此供應(yīng)商的產(chǎn)品。