產業

製造自動化的下一次變革，正在圍繞協作機器人慢慢成形。協作機器人（一種自主機器人）能夠與人類工人一起安全工作。雖然機器人似乎有明顯的優勢，但這些複雜系統的設計卻並非如此。

沒錯，打造協作機器人所需的大多數促使科技現在都已經問世。許多甚至已廣泛通用，從利用機器人看世界的高解析度攝影機，到具有本地管理物聯網連接功能、邊緣機器學習和控制任務功能的多核處理器。

其中的挑戰並不在於是否有技術，而在於將所有技術整合在一起的過程：並在單一平台上以降低耗電、成本和設計複雜性的方式進行。實現這一目標的合理起點，可以從使用一個高階模組替代多個單一功能機器人控制器開始。但即使是這步驟也相當不容易。

「協作機器人必須同時執行多項任務，」嵌入式系統工程服務和產品的領先供應商 Real-Time Systems GmbH 的銷售和行銷主管 Michael Reichlin 表示。「從即時運動控制開始，到高效能運算。」

「隨著協作機器人的感應器、互動能力和通訊功能的數量不斷增加，會需要能夠執行具有不同要求的各種工作負載的多功能控制器，」Reichlin 接著表示。「我們需要讓這些工作負載同時執行，並且不能相互干擾。」

直到這一步，才是最麻煩的部分。

製造業中的物聯網虛擬化和協作機器人

多核心處理技術的好處之一，就是軟體和應用程式可以將每個核心，視為具有專屬執行緒和記憶體的獨立系統。因此單個控制器可以同時管理多個應用程式。

從歷史角度來看，這種架構在機器人科技中的缺點是，將核心視為離散系統並不代表真正是離散系統。舉例來說，核心之間通常會共享記憶體資源，但資源是有限的。如果任務沒有得到適當的安排和優先排序，共享很快就會變成一種增加延遲的資源競爭，這顯然不適合像協作機器人這樣的安全關鍵型機器。

即使多核心處理器上，有足夠的記憶體和運算資源來同時支援多個應用程式，您仍然無法僅為每個核心分配一個工作負載，然後置之不理。由於複雜協作機器人設計中的許多應用程式，必須互相傳輸資料（舉例來說，一個感應器輸入會為通知控制功能的人工智慧演算法提供資訊），因此核心和軟體通常確實需要共享記憶體。

這讓我們回到了分區問題，或者正如 Reichlin 之前所稱的，一個工作負載並列運行且不會相互干擾的能力。要如何在同一個硬體上構建一個多功能系統，可以安全地分享運算資源卻不犧牲效能呢？

答案是即時 hypervisor。Hypervisor 能夠管理不同的作業系統、共享記憶體和系統事件，以確保裝置上的所有工作負載保持隔離狀態，同時仍能接收所需的資源（圖1）。

一些 hypervisor 是能夠區分不同應用程式的軟體層。但為了滿足協作機器人的確定性要求，Real-Time Hypervisor 等裸機版本，與第 6 ^代 Intel^® Atom 和第 11 ^代 Intel^® Core^™ 處理器等物聯網導向晶片緊密整合在一起。

Atom x6000E 和第 11 ^代 Core 系列支援 Intel ^® 虛擬化技術 (Intel^® VT-x)，一種運算、記憶體和其他資源的硬體輔助抽象化，可為裸機 hypervisor 提供即時性能。

「為了保持系統的確定性，我們不能在即時應用程式和硬體之間多一個軟體層。我們去掉了這個軟體層，」Reichlin 解釋道。「客戶只需設置好他們的即時應用程式即可直接存取硬體。

「我們會從啟動程式開始，分離硬體以隔離不同的工作負載，並提供您絕對的確定性。」他繼續說道。「我們不會加入任何的干擾。根據我們分離不同的核心的方法，我們也不會為即時應用程式增加任何延遲。」

在 RTS Hypervisor 分區的核心之間，資料傳輸可以根據需求以數種方式進行。舉例而言，開發人員可以透過虛擬網路或訊息中斷，在事件發生時傳送或讀取資料。

第三種選擇是透過共享記憶體，傳輸無法被其他工作負載覆寫的資料區塊。此時，RTS Hypervisor 會利用了 Intel^® 處理器的原生功能，如支援 Intel^® Time-Coordinated Computing (Intel^® TCC) 的裝置，裡面提供的軟體 SRAM。這項新功能會將延遲敏感的資料和代碼放入高速緩衝記憶體中，以改善時間隔離。

Real-Time Hypervisor 會自動利用軟體 SRAM 等功能，且不需要開發人員對其進行配置。這要歸功於 Real-Time Systems 和 Intel^® 的多年共同開發。

Hypervisor 將處理器拆分，以利協作機器人共享工作

裸機即時 hypervisor 具備的剛性，為協作機器人等系統在設計上提供了靈活性。現在，系統整合商能夠從不同來源提取具有不同時序、安全性和安全性要求的應用程式，並無縫整合至同一個機器人控制器上。

無需擔心過程之間會互相干擾或競爭有限資源，因為全部均由 hypervisor 進行管理。Real-Time Systems 也正在為其 hypervisor 開發一款安全認證版本，將能進一步簡化混合式關鍵協作機器人系統的開發和整合。

據 Reichlin 預測，從桌上型個人助理到協助人類操作重型機械的工業協作機器人，將在未來幾年成為主流。而大多數機器人都將有一個 hypervisor，允許單個處理器共享工作負載，以便協作機器人共享工作。

本文由 insight.tech 內容副總監 Georganne Benesch 編輯。