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协作机器人编程模块化的需求如何满足?

乌尔姆利用科技大年夜学办事机械人钻研中间正在开拓一种模块化软件框架以便简化机械人编程。此框架旨在供给通用软件组件,例如,根据必要调换不合制造商的机器夹持臂,从而经由过程即插即用要领实现新机械人办理规划。乌尔姆大年夜学的团队寄托康佳特(congatec)具有高扩展性和标准化的嵌入式谋略硬件来满意需求。

如今的先辈机械人大年夜都是含有多个子系统的高度繁杂布局。它们所用的机器手臂两端装有特定对象、夹持系统或丈量仪器的各类轴和驱动装配,例如:在取放利用中,还需其他传感器系统,用来节制运动、识别物体和位置。跟着自动化、协作机械人的呈现(与人类在同一事情区内事情),义务数量与构建块也大年夜量增添。例如,在工业情况中对移念头器人进行定位和导航以及安然人机交互。在工业4.0情况中,也必要针对周围机械和系统的M2M接口,其目标便是相互和谐义务。各类类型的机械人(自动、相助、协作)均必要功能强大年夜的软件组件和高机能嵌入式系统。

1、智能机械人的极大年夜市场需求

在未来几年内,智能机械人的市场需求将大年夜幅增长。例如,估计至2023年 ,自念头器人系统市场的年复合增长率将达到23.7%,协作机械人的新市场领域将增长两倍(每年匀称增长多达59%)。OEM厂商为了搭上这高市场增长的便车,遭遇着快速开拓并在成熟市场中推出此类新系统的伟大年夜压力。然则,对付OEM厂商、系统集成商和用户而言,软件开拓是一项极大年夜寻衅。为了让极其繁杂的自念头器人办理规划变得互相协作和/或相助,必须在此中集成更多子系统。

2、软件寻衅

如今,机械人软件仍旧常常作为封闭系统履行,平日应用ASICS或FPGA等各类定制的x86或ARM硬件。平日,软件均针对各机械人定制,导致难以重复应用。而机器手节制、导航、机械视觉、义务和谐、HMI等所有义务均为同个编程。是以,今朝险些无法替换软件组件(纵然对付最常必要的功能)或在其他硬件平台上应用软件组件。这意味着,对付每项新设计,都需从新实现机械人软件,此实现历程不只轻易掉足且异常耗时,还可能大年夜幅延迟推出急需的立异办理规划,更不用说导致操作员必须对每个机械人进行特定编程的麻烦了。

图1:协作机械人必要可以模块化汇编的硬件和软件组件,以便适应其义务。编程事情应只管即便少,以致无需编程;它们应足以完成模块的编程。

3、模块化与重复应用

乌尔姆利用科技大年夜学办事机械人钻研中间Schlegel教授的研发团队将应用模块化软件措施替代封闭系统措施,由于封闭系统措施赓续为系统集成商和用户创建新软件项目,模块化软件措施则将全部繁杂的机械人系统分成几个零丁的功能单元,然后将指定各单元经由过程充分且明确限制的接口进行交互。此观点被称为SmartSoft,经由过程与工业及钻研领域相助伙伴的相助,它已在欧洲(EU H2020项目“RobMoSys - 机械人系统的可组合模型和软件”)和全国范围(BMWi PAiCE项目“SeRoNet - 办事机械人办理规划的联合开拓平台”)进行推广并获得脱销。本色上,此措施旨在实现经过周全开拓和测试的模块化软件构建块汇编机械人系统。这样,软件开拓职员可以将重点放在各功能模块上,而不必斟酌其他组件的内部构件。更紧张的是,它可以采纳模块化措施合并功能,例如相助或协作组件、特定操作器的逻辑单元,以致可以合并不合制造商实现的功能。着末,它还减少了系统集成商和终端用户进行客户定制法度榜样改编所需的事情,将大年夜幅推念头器人的遍及。

图2:SmartMDSD对象链供组件开拓职员开拓各功能单元的软件组件,它们可以在新机械人设计中按必要组合与从新应用。是以,底层硬件应可以机动扩展。

假设您的机器手由A公司供给,机架由B制造商供给,立体机械视觉系统由C制造商供给。得益于高层级抽象化且仅需进行少量调剂,在内部物流利用等环境中应用的专用节制系统可以由现成的软件组件汇编。此利用毫不是幻想,它已经在现实天下中颠末测试。例如,乌尔姆团队已经实现办事机械人组合Larry和Robotino,此组合在Transpharm Logistik GmbH的医药内部物流利用中全自动地装置各托盘上的药物包装,然后将它们放入指定交货点。设置设置设备摆设摆设稍作改变,这两个机械人便可自动接管咖啡订单并将做好的咖啡放到客户的桌子上。因为软件组件是现成的且可以自由组合,从新设计仅必要几小时。

4、明确定义接口的容器

为了实现组件的险些所有汇编,乌尔姆利用科技大年夜学办事机械人钻研中间的团队开拓出一款办事组件架构的软件版本,以及适用于Eclipse开拓情况的模型驱动开源软件对象链。此情况为组件开拓职员供给一些对象,他们可以应用这些对象为各功能单元编写自己的代码,然后,应用自动天生的组件容器保护这些算法。这些容器与相同通信接口的其他容器进行通信。此外,包装也保护了组件开拓职员的IP。此团队已开拓几款类似功能模块并在自己的项目中应用它们。这些模块包括导航模块、机械视觉、HMI、机器手节制和义务和谐等,这些只是此中的一小部分而已。作为一种统一的通信接口,SmartSoft亦依附于OPC UA。这样,制造商可以将重点放在特定容器上,并培养其相关核心能力,更机动的办事让客户受益匪浅。

5、通用嵌入式硬件代替专有设计

对付逻辑硬件,乌尔姆团队应用x86技巧只管即便削弱软件开拓与任何特定硬件的关系。凭借相宜的胶连逻辑,此措施可以透过x86技巧轻松地履行,此类系统在后期的迁移也可以如斯履行。

因为具有高标准化和完备文件体例,嵌入式x86硬件也分外得当此情况。形状规格合乎标准,除了尺寸外,利用编程界面也合乎标准。这样,假使板子相符PICMG的eAPI规范或SGET的UIC标准,硬件替换变得方便。在这些环境下,以致可以按照利用需求自由切换不合尺寸形状(例如主板与嵌入式谋略机模块),无需大年夜幅变动在迁移中造访硬件的措施。异常注重此标准化及其文件体例与最简单的硬件集成的一家供应商便是康佳特(congatec),乌尔姆利用科技大年夜学办事机械人钻研中间在项目中便应用了此供应商的产品。

乌尔姆利用科技大年夜学的Matthias Lutz说:“除了最高谋略能力、能效、靠得住性等基础要求,我们还异常注重高标准化和通用迁移能力。软件中的每个额外抽象层均必要额外的谋略机能,是以,我们今朝正在应用功能强大年夜的双核技巧。节制机械人模块的板组件和GPIO的标准化措施供给我们嵌入式谋略层级自立的抽象化。”

终极,他们选择了工业等级的Mini-ITX主板conga-IC175。这是由于标准化的Mini-ITX规格尺寸为在真实系统中开拓立异型软件组件的原型供给多种上风,且已将所有接口集成在一个标准化的板上,康佳特(congatec)实现了透过标准ATX电源、工业化12V电网或SMART电池进行供电,这对付Robotino和Larry等移念头器人异常紧张。别的,也可以透过PCIe扩展卡快速、有效地进行扩展。该板子具有较高效能,还应用耐用的嵌入式组件,是以无需搭配昂贵的散热。

图3:应用康佳特 conga-IC175 Mini-ITX主板的自动捡取机械人Larry:高谋略能力、低热损、小形状尺寸和最高靠得住性为关键身分。

乌尔姆团队的未来商用机械人设计将履行于嵌入式谋略机模块上。然则,无论是Mini-ITX主板、可搭配标准Mini-ITX载板的模块、模块和零丁载板照样全定制设计,对付原始设备制造商来说,终极紧张的是总拥有资源(TCO),当应用模块化软件时,其也取决于硬件的软件支持。为了在未来更随意马虎地集成多项功能,对实时系统虚拟机治理法度榜样技巧的周全支持能带来更多益处。这样一来客户可以选择集成其他功能,例如其自己的IoT网关,无需应用专用硬件平台,也节省了硬件资源。

Lutz总结说:“我们异常清楚此类模块化措施的好处,由于它们反应了我们软件的模块化措施。在此方面,有趣的是,并购Real-Time System (RTS)公司后,康佳特(congatec)现在可直接取得这些机械人和自动化专家的虚拟机治理法度榜样技巧。”

此外,康佳特(congatec)的技巧办理规划中间(TSC)整合所有OEM办事,为乌尔姆利用科技大年夜学办事机械人钻研中间或Transpharm Logistik GmbH等这类客户供给完备的办事。

图4:康佳特(congatec)针对智能机械人的嵌入式谋略硬件的成长:根据此系列的设计观点和批量,OEM可以选择(1)嵌入式Mini-ITX主板、(2)可搭载嵌入式谋略机模块的标准化载板(指Mini-ITX)、(3)可搭载嵌入式谋略机模块的定制载板或(4)全定制设计,而康佳特(congatec)可在模块进级的根基上相对快速、轻松地实现全定制设计。

6、Transpharm Logistik GmbH的内部物流利用实例

康佳特的工业相助伙伴Transpharm Logistik GmbH在内部物流利用中应用各类机械人行列步队履行捡取义务。自动捡取机械人Larry配有UR5机器手模块并应用Segway机架。运输机械人Robotino配有传送带而非机器手,以便将捡取机械人送到任何地点。直接经由过程WLAN在库治理系统中收到订单。行列步队治理系统选择两个捡取机械人,它们将履行订单。此利用基于BMBF项目“LogiRob - 共享人机事情空间内的多机械人运输系统”和“ZAFH Intralogistics - 前进内部物流机动性的协作系统”的成果(Baden-Württemberg and EU ERDF 2014-2020)。

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