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【科普】機器人雙向溝通的關鍵 不可不知的ROS 2技術到底在做什麼?

ROS 2採用DDS技術,能夠讓機器人「群機溝通」。Cognition Factory

鴻海近年強攻自駕車商機,與凌華合資成立法博智能,要在自主移動機器人(AMR)市場中取得先機,而電子代工大廠緯創也預計在2021年5月,推出以「Wisbot」為名的服務型AMR。在大廠競相角逐機器人的時代,可以預見機器人將在未來幾年快速發展與普及。

全球機器人產業快速發展,而開源機器人作業系統ROS更是開發機器人相當重要的一環,為了進一步滿足下世代產品開發需求,ROS 2也應運而生,甚至ROS 2也被看好是未來機器人中最核心通用的,而這項機器人產業中不可不知的技術,究竟在做什麼?

什麼是ROS

在進入ROS 2之前,我們先討論什麼是ROS?

ROS的全名是Robot Operating System,顧名思義就是機器人作業系統。但與其說是像Windows或Linux這樣的作業系統,ROS在整個機器人設計架構中比較像是作為通訊中介軟體的角色,負責串起機器人的各個元件進行溝通與操作,畢竟機器人不像產線上固定的工站進行自動化工序處理,而是存在高度變化的操作條件差異,它能否成功在場域中應用,取決於機器人的自主動作能否順暢運行,例如,自動感測空間位置做出取放的對應動作,其背後的環境感測、動作判斷與執行、回饋等,都會影響機器人的實用價值。

作為全世界開發及使用者數量最多的機器人作業系統,ROS的重要程度自然不言而喻,ROS系統最早起源於2007年,創立的核心宗旨就是要做核心碼共享。

機器人的幾大領域包括導航、操控、感知等,每個領域都有許多研究者投入心血做出大量研究,做一台機器人難、做兩台機器人更是難上加難,為了不希望每個專案要做機器人時,都要重頭打造程式,ROS以開源平台的方式,讓全世界都可以在這個平台上分享各種機器人相關研究資源和演算法,還可以找到很多教材與Package,因此開發者不必重新造輪子,就可以踩在彼此的肩膀上前進,進而發展各式各樣的應用,影響力因此也從學術界擴大到商業用途。

因此,在這裡有一個重點就是「打造」,ROS的立意就是為了讓更多有意投入機器人市場的人能夠縮短開發過程。

但ROS在初期是以打造與整合單台機器人的功能為目的,不過未來的智慧工廠,怎麼可能只有一台機器人?當勞力缺口與自動化需求越來越大,企業一定希望能將有限的人力放在更高附加價值的工作上,而附加價值低的工作就交給機器人來做,可以想見的是,工廠內將會有越來越多,甚至成千上百的機器人。這時,成群的機器人要怎麼溝通、協作?問題就不再這麼簡單了。而這也造就ROS系統從第一代升級到第二代。

凌華科技新世代機器人平台事業處王健豪博士表示,ROS從最初的學術用途跟如何快速打造機器人,隨著時代變遷下需求不同,到了ROS 2時則是將重點放在了「溝通」、「傳輸」上,強調能夠點對點互相傳輸。而ROS 2之所以能夠做到雙向溝通,關鍵就在於ROS 2當初在規劃時納入的DDS技術,並以此為核心,打造出一個適用於多機互聯的通訊架構。

ROS 2如何做到雙向溝通、跟Clubhouse又有什麼關係?

可以說,ROS與ROS 2最大的不同之處就在於通訊架構。王健豪進一步解釋,因為ROS初期是以打造與整合單台機器人的功能為目的,因此自然沒有將多機協作的概念納入考量,在通訊架構上過去是以集中式的模式進行開發,走主從式(Master/Slave)與TCP/IP協定,簡單的說,就是所有指令與訊息必須透過一個上位系統往下發布與分配,才能進行溝通,但這會衍生兩個問題。

一是當工廠需要擴充,就會擔心Master越作越大,不僅Server要很強大,一旦上位系統出問題,整個系統都會受到影響,二來,一對多的傳輸可想而知是相當耗時間的一件事,因此ROS在通訊上不免就會有延遲性跟擴展性的問題。

ROS 2為了解決這個問題,當初在推動時便決定改採分散式架構,並且走UDP 協定結合資料分散式服務(Data Distribution Service,DDS)技術。而根據資料定義,DDS走的是發布/訂閱式(Publish/Subscribe)的協定,所謂的Pub/Sub架構是 發布者並不特定將資料發送給特定用戶,而是透過將發布的訊息設定成不同的話題(Topic)發送出去,而Sub可根據感興趣的Topic來接受一個、或多個有訂閱的Topic。

相對於傳統的收送網路而言,Pub不需要等待特定的用戶回應,也不必等到接收對象擁有網路連線的能力才能發送,更不用管接收的用戶是否過多的問題,因此能夠實現資料交換與傳輸的即時性,並且伴隨可擴充的好處。

看到這裡,是不是覺得這種模式有點眼熟?其實這個概念簡言之就有點像是Clubhouse,王健豪用一個比較淺顯易懂例子舉例,也就說當你選定一個感興趣的主題(功能)訂閱,而進入房間的所有人都可以同時收聽(獲取指令與訊息),甚至進一步交流(溝通與協作)。

而說到DDS,早早嗅到商機的凌華科技在2015年購併英國PrismTech軟體公司。王健豪說,原本DDS是應用在軍工航太領域,要知道軍事或航太系統,在溝通時是萬萬不允許出現一絲誤差的,強調相當嚴謹的可靠度,而這樣的需求似乎跟智慧工廠有著異曲同工之妙。因此當凌華購併PrismTech取得DDS技術,便有意將此技術普及、推廣,而正好就在ROS 2推出的時間點,進入市場。

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