DeX-Platform 助力工業機器人應用解決方案開發

DeX-Platform是代客思智能科技推出的工業機器人控制系統應用開發平台，為用戶提供了從硬體到軟體的整套開發解決方案。基於此平台，開發者可高效完成工業機器人標準應用工藝包、快速對接視覺系統等智能應用方案、滿足各類機器人非標應用需求，甚至可以獨立開發全套上層編程示教系統，或針對科學研究、創客教育開發獨立上層軟體系統，極大促進工業機器人相關解決方案的發展和完善。

為什麼開發這樣一套系統？

「我有一個很棒的想法，能幫助廚師在電腦上管理菜譜！」

「太棒了，讓我們開始研發這台電腦吧！」

以上對話顯然是不可能發生在今天這個時代的。一個軟體應用的開發者，他開發一個軟體之前，並不需要先研發出能夠運行那個軟體的電腦。

然而，這個荒唐的事目前正發生在工業機器人領域。

在過去數十年，工業機器人應用領域相對狹窄，核心技術被少數公司把持，因此以國際四大家族為代表的工業機器人傳統大廠都選擇自行研發各種工藝包、提升系統的附加價值，而不願向外提供過多的開發介面。由於傳統工業應用門類有限，因此一家公司能夠開發出焊接、噴塗、碼垛等較為全面的工藝包，供給用戶選擇購買。這套模式也成為了工業機器人商業化控制系統產品的標準模式。

隨著市場需求的不斷擴大，以及核心零部件、人工智慧演算法和各類感測器技術的發展，工業機器人的應用領域正在迅速擴展、甚至正在從純工業領域擴展到民用服務領域。近幾年，工業機器人已經被用於手術醫療、電影拍攝、遊樂設施、無人餐廳等越來越多的新興服務場景。

而當機器人應用領域擴大，各種新型需求湧現，尤其是當其向民用服務領域擴展的時候，行業對控制系統軟體功能多樣性的需求已經遠遠超過以往。此時，傳統的工業機器人公司再也無法滿足所有市場應用，尤其是各類新興需求。

受傳統國外機器人大廠技術路線的影響，國內具備相關研發能力的廠家大多也選擇了封閉的系統模式。因此，現有工業機器人產品系統的開放程度往往很難滿足開發者的需求，廠家設置的開發門檻和條件也很高，價格上不具優勢。基於這個現實，很多新加入這個行業的開發者會選擇自己從頭搭建機器人系統，並最終推出一套全新的機器人產品。在這個模式下，開發一個機器人產品需要將80%的精力和成本都花在硬體本體和搭建測試底層系統上。

這就造成了本文開頭那個荒唐的事實：「開發一個應用功能，需要先開發出能運行這個應用的電腦」。如此高的開發門檻讓很多人對工業機器人行業望而卻步，而行業本身的發展勢能也就無法釋放。也正是由於這樣一個低效的模式，工業機器人行業雖然正在快速發展，但從出貨量和市場規模上看，仍然還未實現全面爆發。

根據《中國機器人產業發展報告（2017年）》的數據，2017年國內工業機器人銷量超過11萬台，市場規模達到42.2億美元。然而，這個數據包含了國外產品的份額。因此，即便按國外產品份額只佔一半（實際上要超過一半）計算，國產工業機器人的市場規模也不足20億美元，利潤就更少了。與之相比，《王者榮耀》一季度營業收入在60億元左右（估算）；小米手機2017年9月份單月出貨量突破一千萬台。也就是說，騰訊一款遊戲兩個月的營收，就超過了國產工業機器人全年的市場規模；這個規模更是不及一家消費電子產品企業的百分之一。

拿這些已經高度成熟的產業和尚屬兒童期的中國工業機器人行業對比確實有些不公平，任何一個行業都需要逐漸發展成熟的過程；但是目前工業機器人的狀況確實反映了整個行業在發展模式方面的嚴重問題。

反觀現在的智能手機行業，在一套良好的行業參與和開發模式下，它將無數的應用演算法開發者調動起來，為其貢獻智慧。以蘋果公司為例，Apple store上早已經超過100萬個應用，這個工作量可能100個蘋果公司也無法完成。iOS的生態系統是由無數開發者共同建立和完成的。iphone是個硬體本體，開發者只需要購買一個本體，就能直接在上面做應用開發——不需要自己造一個手機。開發者將自己的作品發布在iOS平台上，用戶根據自己的需求下載，開發者從中得到收益。這個模式激發著無數軟體行業從業者為蘋果貢獻力量。

只有調動更多的人加入並貢獻智慧，一個行業才能得到爆髮式的發展，就像我們身處的智能手機時代一樣。而工業機器人行業，現在正需要一個良性的發展模式，促成行業的爆發。

DeX-Platform介紹

隨著工業機器人機械和硬體系統趨於成熟和穩定，軟體控制系統正在成為決定工業機器人應用領域和功能的核心：控制系統向下對接工業機器人本體、伺服系統以及各類先進感測器，向上連接各類先進人工智慧演算法；這個中樞地位也使控制系統軟體的開發對工業機器人行業整體發展來說具有更為重要的意義。

雖然諸如ROS一類的開源機器人平台功能豐富強大，成為了很多開發者的選擇，能夠幫助開發者快速出產品原型，演示功能。但是，也正是由於其開源屬性，缺乏商業公司對其提供穩定、可靠的技術支持和維護，導致ROS在開發商業化系統時存在隱患，也限制了其發展。未來，機器人應用軟體行業會有類似電腦軟體行業一樣的數量眾多的開發公司，並為各自細分領域的用戶提供穩定可靠的服務。

現在，有越來越多控制系統廠商開放了二次開發介面，但大多數通常只支持其自有的機器人，或需要有條件的單獨開放，而不提供通用化的支持。UR機器人依靠著其協作屬性和較為方便的開發支持得到了很多上層應用開發者的青睞，做出了許多新興的應用；但其系統依然只支持UR自己的機器人，且整機系統價格與國產機器人相比也無任何優勢。

DeX-Platform提供了專門針對輕型工業機器人的通用開發平台，包含了完整的工業機器人底層硬體解決方案，讓不了解機器人硬體或底層系統的開發者們能夠以極低的成本得到一套完整的工業機器人控制系統，並且可以專註於開發上層應用功能而無需被底層系統問題所困擾。

演算法庫方面，DeX-Platform內置了完善的軌跡規劃庫；其中包含關節、直線、圓弧等標準軌跡類型，具備先進的軌跡連續運動功能，以及NURBS樣條曲線類型，可以支持3D列印、立體雕刻等複雜工藝軌跡；先進的插值演算法實現複雜軌跡的連續運動和高階平滑；支持用戶坐標系、工具坐標系等多種坐標系類型；支持動力學演算法功能，開發者可實現安全協作、拖動示教、力反饋應用等功能。完善的庫函數功能避免了用戶大量底層的重複性開發工作，使開發者能專註於上層應用，顯著提升開發效率。

下面介紹兩個基於DeX Platform開發的典型應用示例

基於機器視覺的智能分揀應用

在傳統製造業轉型升級的過程中，工業機器人在生產中所能發揮的作用在不斷的放大。過去，工業機器人的應用主要集中在高強度的、專註完成重複作業的場合。而現在，隨著市場需求的變化，為了更加高效的完成複雜的任務，工業機器人正在逐步向智能、協作等關鍵詞靠攏。

為設備配備視覺對實現智能製造有著極其重大的意義。目前，機器視覺技術在工業現場有著廣泛的應用場景，諸如產品檢測、字元識別、運動跟蹤、物品定位等等。將機器視覺技術與工業機器人相結合，有助於應對更加靈活的應用需求，完成更加複雜的現場任務。

為此，DeX-Platform內部集成了高性能的運動規劃演算法和先進的工業匯流排技術，同時為開發者提供了Linux操作系統下的SDK，裡面包含了大量易用並且強大的運動介面，幫助開發者在較短的時間內實現視覺應用與機器人平台的完美對接。

為滿足不同的視覺應用開發需求，DeX-Platform提供了兩種形式的視覺應用架構。

架構一是以個人電腦或者伺服器為核心的一種更加開放式的組織方式。其中視覺模塊和機器人控制器可以視為掛載到個人電腦或者伺服器上的設備。用戶可以在個人電腦或者伺服器上對獲取的圖像進行處理，再根據處理的結果，調用機器人相應的運動指令，控制機器人完成任務。在該種架構下，視覺模塊和機器人還可以作為節點接入到ROS等開源平台，幫助用戶開發更加靈活的應用。

架構二是以控制器為核心的一種相對封閉的組織方式。其中控制器和視覺模塊相連，控制器可以直接獲取目標的三維位姿信息，並驅動機器人完成抓取等操作。用戶可以直接在示教器上調用視覺指令完成示教編程，也可以在個人電腦或者伺服器上藉助SDK完成視覺任務。該架構的優勢在於可以直接對接成熟的機器視覺方案，幫助用戶在現場可以在較短的時間內完成部署，滿足現場的任務需求。

藉助DeX-Platform實現視覺應用的一般過程可以分為坐標系標定、目標位置獲取以及機器人運動規劃三個步驟：

1、 利用標定演算法，得到圖像坐標繫到機器人基坐標系的變換矩陣;

2、 其次根據獲取的圖像，檢測目標的三維位置姿態，並將其轉化到機器人基坐標系下的表示，該表示可以為位置加姿態角、位置加方向向量以及齊次矩陣;

3、 調用直線、圓弧、門運動等軌跡規劃指令驅動機器人運動到相應位姿。除此，利用DeX-Platform內置的軌跡連續運動、NURBS樣條曲線等高級軌跡規劃功能，用戶還可以實現對目標的跟蹤、基於視覺的避障等應用。

以下為藉助DeX-Platform開發的機器人三維抓取應用演示視頻。

https://www.zhihu.com/video/951472273190821888 https://www.zhihu.com/video/951474176591200256

利用DeX-Platform可以快速的幫助開發者實現基於視覺的機器人應用。同時DeX-Platform也在不斷的豐富機器人的運動模式，提升機器人運動的速度和性能，幫助您更好的實現應用需求。

機器人拖動示教及同步復現功能

DeX-Platform提供完善的機器人動力學功能支持，基於EtherCAT匯流排架構的底層系統以及模塊化設計的動力學演算法庫，使開發者得以高效的為機器人本體配備安全協作、拖動示教等先進功能，打造新一代工業機器人應用產品。

以拖動示教功能為例。拖動示教功能是機器人人機協作屬性的基礎功能，會成為未來機器人系統的標配。基於零力控制技術可以在不需要外部力矩感測器的情況下實現拖動示教功能，大大降低了硬體成本。在EtherCAT匯流排架構的支持下，DeX-Platform提供返回電機力矩值的功能介面，配合機器人動力學相關演算法和開發介面，開發者可以為各類工業機器人本體提供拖動示教功能；示教完成後，機器人的運動路徑可以同步復現。

實現機器人拖動示教功能主要分為三個步驟：機器人動力學建模、參數辨識以及力矩控制。下面對這三個步驟進行簡單介紹。

第一步是建立機器人動力學模型，利用牛頓歐拉法或者拉格朗日法推導出機器人動力學的解析表達式。DeX-Platform中包含了用於計算逆動力學的函數DynamicTau和只計算重力項的函數DynamicGravTau，計算耗時都在100us以內。

第二步是對動力學參數進行辨識。DeX-Platform利用EtherCAT匯流排通信的PDO數據反饋得到各關節的角度值、速度值和力矩值，結合相關演算法可以辨識出未知參數。其中，關節角度值和速度值由電機編碼器採集，力矩值由電機電流計算得到。DeX-Platform的數據反饋周期最小可達0.5ms。圖2是在辨識過程中某個關節力矩值的部分數據圖像。

第三步是力矩控制。將辨識出的動力學參數配置到DeX-Platform中，設置控制模式為拖動示教模式。操作人員在拖動機器人運動過程中，DeX-Platform採集運動學數據，根據內置函數實時計算出力矩補償值，使得機器人拖動自如。圖3顯示了拖動過程中某一關節的力矩補償曲線。拖動過程中，DeX-Platform提供實時記錄各關節軌跡的功能，以便示教復現。

下面展示某個機器人本體應用DeX平台開發出的拖動示教演示視頻。

https://www.zhihu.com/video/951474813508870144

在DeX-Platform的支持下，各類輕型工業機器人都可以輕鬆獲得協作屬性，在大大提升機器人附加價值的基礎上，可以對接和完成更多新興應用。

銷售模式

DeX-Platform提供靈活的硬體方案，滿足不同情況開發者的需求。

本體方案：主要提供負載10kg以內的輕型六軸工業機器人。

電機及驅動系統：主要提供使用多摩川17位絕對值編碼的各類伺服電機，及清能德創驅動器。

控制系統：代客思智能科技自主研發的工業機器人控制系統，包含DeX-Platform。

與使用UR機器人系統、或其他常見國外機器人系統相比，代客思智能科技提供的方案具備50%以上的價格優勢，且能大幅度提升開發效率，縮短開發者驗證和部署產品的時間。

對接更多人工智慧系統和解決方案

代客思智能科技正在與更多機器人上層智能應用解決方案公司合作，幫助他們以最低的成本、最快的速度驗證產品，並推向市場；同時，我們也在與機器人本體廠商合作，對更多的機型進行針對性的適配和開發，為客戶提供最高性價比的工業機器人開發系統。

代客思智能科技會持續完善和改進DeX-Platform的相關功能，不斷提供新的功能介面。我們希望在一套通用、開放的工業機器人開發平台下，有越來越多的創業者進入工業機器人領域，幫助他們加速實現工業機器人的智能化、民用化發展，共同促成行業的真正繁榮。

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