首都師范大學(xué)輕型工業(yè)機(jī)器人和安全驗證實驗室副主任 邵振洲博士

邵振洲，首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院副研究員，博士，“輕型工業(yè)機(jī)器人與安全驗證”北京市重點實驗室副主任，主要研究領(lǐng)域包括模塊化機(jī)器人、計算機(jī)視覺、人工智能和人機(jī)交互安全等。目前是中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會專家和國際標(biāo)準(zhǔn)化ISO/TC 184/SC 2/WG 10委員會委員，參與起草制定國家機(jī)器人相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。作為第一起草人，已完成制定國家標(biāo)準(zhǔn)《面向多核處理器的機(jī)器人實時操作系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)》。

操作系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域的作用類似智能手機(jī)領(lǐng)域的Android和iOS操作系統(tǒng)。當(dāng)前機(jī)器人主流操作系統(tǒng)ROC能夠提供類似傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的諸多功能，如硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用功能實現(xiàn)、進(jìn)程間消息傳遞和程序包管理等。雖然被廣泛采用，但其卻存在實時性和系統(tǒng)可靠性驗證等問題。對于致力機(jī)器人產(chǎn)品自主創(chuàng)新的中國來說，如果能搶占機(jī)器人操作系統(tǒng)高地，將對我國智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。借此次專題之機(jī)，本刊記者特別采訪了首都師范大學(xué)輕型工業(yè)機(jī)器人和安全驗證實驗室副主任邵振洲博士，介紹其團(tuán)隊在機(jī)器人實時操作系統(tǒng)研究方面所取得的成果。

《自動化博覽》：請談?wù)勀鷮τ诋?dāng)前中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的看法？

邵振洲：相比于機(jī)器人四大家族等國際知名企業(yè)，我國工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)規(guī)模仍然不大，多數(shù)處于小批量生產(chǎn)階段，關(guān)鍵零部件大多依賴進(jìn)口，導(dǎo)致機(jī)器人性價比低，制約了我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成和實現(xiàn)規(guī)模化的發(fā)展。近年來，在產(chǎn)業(yè)政策的激勵和市場需求的帶動下，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，很多新的機(jī)器人企業(yè)涌現(xiàn)出來。相信隨著我國零部件制造工藝的不斷進(jìn)步，國產(chǎn)機(jī)器人在全球市場的競爭力將進(jìn)一步提高。

《自動化博覽》：當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域面臨著哪些挑戰(zhàn)？

邵振洲：當(dāng)前機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)除了國產(chǎn)關(guān)鍵零部件的研制以外，從技術(shù)角度講，人機(jī)協(xié)作的安全性和智能性是新一代工業(yè)機(jī)器人面臨的主要挑戰(zhàn)。提高機(jī)器人的安全性，可以真正讓人和機(jī)器人共享工作空間，協(xié)同工作，提高生產(chǎn)效率。另外，提高機(jī)器人的智能化水平，自動識別環(huán)境變化，減少對人的依賴，是未來機(jī)器人應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。

《自動化博覽》：機(jī)器人操作系統(tǒng)對于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展具有怎樣的重要意義？

邵振洲：機(jī)器人操作系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域的作用類似智能手機(jī)領(lǐng)域的Android和iOS操作系統(tǒng)，如能盡早部署，保持與國外同步，將對我國智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。在未來機(jī)器人時代，我國不能重走PC和智能手機(jī)時代的老路，必須在發(fā)展前期高度重視機(jī)器人操作系統(tǒng)核心技術(shù)的研發(fā)。另外，機(jī)器人操作系統(tǒng)提供了一個統(tǒng)一的機(jī)器人開發(fā)平臺，更多用戶可以基于這個平臺去研究和驗證機(jī)器人算法以及開發(fā)機(jī)器人應(yīng)用等，能很大程度上促進(jìn)機(jī)器人軟件技術(shù)的發(fā)展。

《自動化博覽》：當(dāng)前機(jī)器人操作系統(tǒng)存在哪些問題？

邵振洲：當(dāng)前的機(jī)器人操作系統(tǒng)主要存在兩大問題：

(1) 實時性問題。目前流行的機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS實時性不高，只能用于機(jī)器人的環(huán)境建模、目標(biāo)識別和任務(wù)規(guī)劃等非實時任務(wù)，不能直接應(yīng)用于實時運動控制，這在很大程度上限制了ROS的實際應(yīng)用。

(2) 系統(tǒng)可靠性驗證問題。機(jī)器人操作系統(tǒng)是個龐大的軟件系統(tǒng)，目前ROS缺乏有效的測試和驗證手段。使用傳統(tǒng)的測試和仿真方法，無法對系統(tǒng)進(jìn)行完備的驗證。

《自動化博覽》：您團(tuán)隊研發(fā)的機(jī)器人實時操作系統(tǒng)具有哪些創(chuàng)新性？

邵振洲：我們團(tuán)隊先后與美國田納西大學(xué)Tan Jindong教授、北京航空航天大學(xué)魏洪興教授、遨博（北京）智能科技有限公司合作，針對前面提到的兩個問題，主要做了兩方面工作：(1) 在目前主流的機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS基礎(chǔ)上，進(jìn)行實時化改造和二次開發(fā)，創(chuàng)新性地提出“多核異構(gòu)”的實時ROS構(gòu)架，在保留ROS現(xiàn)有豐富軟件資源的同時，解決ROS的實時應(yīng)用難題。(2) 采用軟件測試仿真、物理平臺測試和形式化驗證三位一體的測試驗證方法，充分保證機(jī)器人操作系統(tǒng)的可靠性。目前，在首都師范大學(xué)關(guān)永教授的帶領(lǐng)下，我們團(tuán)隊已完成了機(jī)器人實時操作系統(tǒng)（通信協(xié)議、實時性等）、雙臂機(jī)器人避免碰撞算法和機(jī)器人路徑規(guī)劃算法等安全驗證，形式化驗證分析和工具研制達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

《自動化博覽》：機(jī)器人實時操作系統(tǒng)對于機(jī)器人產(chǎn)品的提升將體現(xiàn)在哪些方面？

邵振洲：我認(rèn)為機(jī)器人實時操作系統(tǒng)對于機(jī)器人產(chǎn)品的提升將主要體現(xiàn)在如下方面：

(1) 建立面向多核處理器的機(jī)器人操作系統(tǒng)實時架構(gòu)，使ROS的任務(wù)控制周期由原有的10ms量級提高到1ms量級，以滿足機(jī)器人的實時控制需求；

(2) 提出適用于機(jī)器人多核操作系統(tǒng)的形式化驗證建模的理論方法，建立機(jī)器人多核操作系統(tǒng)的形式化驗證定理證明庫，為機(jī)器人多核操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件提供綜合的形式化驗證平臺。

摘自《自動化博覽》2016年9月刊